Propriétés optiques de nanoparticules plasmoniques et de cristaux liquides pour applications aux vitrages intelligents.

Optical properties of plasmonic nanoparticles and liquid crystals for smart glazing applications.

• Auteur / Autrice : Florian Lochon
• Direction : Alexandre Baron, Olivier Mondain-Monval
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 07/12/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac ; 1963-....)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Zakri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jong-Wook Kim
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuelle Lacaze, Bruno Palpant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Cristaux liquides

Nanoparticules

Résonance plasmonique de surface

Mots clés libres

Plasmonique

Nanoparticules

Cristaux liquides

Matériaux composites

Plasmonics

Nanoparticles

Liquid crystals

Composite materials

Résumé

Cette thèse est dédiée à la compréhension et à l’explication des propriétés optiques de nanoparticules d'or et d'oxyde de tungstène dopé au césium. Ainsi qu'à la description des propriétés optiques des défauts cristal liquide à coniques focales toriques et de films composites constitués de nanoparticules dispersées dans ces défauts.Dans ce projet, nous avons détaillé les propriétés de diffusion, d’absorption et d’extinction de nanoparticules de formes différentes et faites de différents matériaux. Après avoir effectué des comparaisons entre des résultats expérimentaux et théoriques pour des particules d’or, nous avons étudié des particules d’oxyde de tungstène dopé au césium. Ce semi-conducteur a connu un intérêt grandissant ces dernières années. Il s’agit d’un cristal uniaxe absorbant sur une grande gamme de longueurs d’onde du visible au proche infrarouge suivant son orientation. L’intérêt autour de ce matériau est la production de particules de forme anisotrope capables d’absorber les rayons infrarouges solaire traversant des vitres de manière contrôlé. Ce type de dispositif a pour but de réduire les échanges thermiques dans la gamme de longueur d'onde du proche infrarouge. Ces vitres sont dites intelligentes puisqu'elles peuvent, par action d'un champ électrique ou par variation de température, filtrer ou non la gamme de longueur d'onde souhaitée. Dans un second temps, nous avons étudié le comportement de la lumière à travers des défauts à coniques focales toriques permettant l’orientation des particules par une transition de phase de la matrice entre isotrope et smectique A. Nous avons proposé un modèle permettant de calculer par ajustement sur des images de microscopie les paramètres des défauts (rayon et hauteur). Nous avons également proposé un modèle théorique afin de comprendre le comportement de la lumière en sortit des défauts. Pour finir, nous nous sommes intéressés aux propriétés optiques du film composite et de sa capacité à absorber la lumière. Nous avons vu qu’une couche fine de 10 micromètres a une fraction volumique en particule faible suffit à absorber une très grande partie du domaine proche infrarouge.

This thesis is dedicated to the understanding and explanation of the optical properties of gold and cesium-doped tungsten oxide nanoparticles. It also describes the optical properties of toroidal focal cone liquid crystal defects and composite films made of nanoparticles dispersed in these defects.In this project, we have detailed the scattering, absorption and extinction properties of nanoparticles of different shapes and made of different materials. After making comparisons between experimental and theoretical results for gold particles, we studied cesium-doped tungsten oxide particles. This semiconductor has been of increasing interest in recent years. It is a uniaxial crystal absorbing over a wide range of wavelengths from visible to near infrared depending on its orientation. The interest around this material is the production of anisotropic shaped particles capable of absorbing solar infrared rays passing through windows in a controlled manner. This type of device aims to reduce heat exchange in the near infrared wavelength range. These windows are said to be intelligent since they can, by the action of an electric field or by temperature variation, filter or not the desired wavelength range. In a second step, we studied the behaviour of light through toric focal cone defects allowing the orientation of particles by a phase transition of the matrix between isotropic and smectic A. We have proposed a model to calculate the defect parameters (radius and height) by fitting them to microscopy images. We have also proposed a theoretical model to understand the behaviour of the light coming out of the defects. Finally, we looked at the optical properties of the composite film and its ability to absorb light. We have seen that a thin layer of 10 micrometre with a low particle volume fraction is sufficient to absorb a very large part of the near infrared range.