De la Voie Sol-Gel à l’Optique Avancée: Maîtrise des Nanostructures de Dioxyde de Titane

From the Sol-Gel Process to Advanced Optics: Mastering Titanium Dioxide Nanostructures

• Auteur / Autrice : Martin O'byrne
• Direction : David Grosso
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : MATIERE CONDENSEE et NANOSCIENCES
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IM2NP - Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence
• Jury : Président / Présidente : Magali Putero
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Grosso, Glenna Drisko, Marco Faustini, Olivier Soppera, Jörg Ackermann
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Glenna Drisko, Marco Faustini

Mots clés

Mots clés libres

TiO2

Sol-Gel

Nano-impression

Optique

Revêtements anti-reflet

Métasurfaces

TiO2

Sol-Gel

Nano-imprint

Optics

Anti-reflective coatings

Metasurfaces

Résumé

Le dioxyde de titane est un matériau ayant suscité un vif intérêt au sein de la communauté scientifique en raison de ses propriétés couplées à son abondance naturelle et sa biocompatibilité. Avec l'avènement des nanotechnologies, il est devenu un matériau largement étudié et utilisé dans les domaines de l'optique et de la photonique en raison de sa large fenêtre de transmission dans le visible et de son indice de réfraction élevé. Cependant, les méthodes traditionnelles de fabrication et de structuration à l'échelle nanométrique présentent des inconvénients tels que leur lenteur et leur coût élevé, limitant ainsi les possibilités d'industrialisation. La voie sol-gel offre une alternative économique à la fabrication et, grâce aux récentes avancées en nano-impression, une alternative rapide aux méthodes conventionnelles (lithographie gravure). Cependant, en raison de sa complexité et de son caractère multidisciplinaire, cette approche a historiquement conduit à la production de matériaux dont les structures et les propriétés sont difficilement ajustables. Au cours de cette thèse, nous démontrerons, grâce à une étude détaillée des phénomènes physico-chimiques qui se produisent lors de la fabrication de nanostructures de TiO2 par la voie sol-gel, que cette approche permet en réalité d'obtenir des matériaux aux propriétés optiques comparables, sinon meilleurs, à ceux obtenus par les méthodes de dépôt sous vide en fonction des fonctionnalités visées, à travers un contrôle précis des différentes conditions de formulation et de procédés. Nous montrerons ainsi qu'il est possible de tirer parti des propriétés exceptionnelles du dioxyde de titane dans diverses applications, allant des guides d'onde aux couches antireflets en passant par les métasurfaces, en exploitant des procédés d’industrialisation bas-coûts. En somme, cette thèse mettra en évidence le potentiel de la voie sol-gel pour la fabrication de matériaux optiques de haute qualité, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour l'exploitation des propriétés du dioxyde de titane dans des applications photoniques avancées.

Titanium dioxide is a material that has generated significant interest within the scientific community due to its properties, coupled with its natural abundance and biocompatibility. With the advent of nanotechnologies, it has become a widely studied and utilized material in the fields of optics and photonics thanks to its broad transmission window in the visible spectrum and high refractive index. However, traditional methods of manufacturing and nanoscale structuring present major drawbacks for industrialization, namely slowness and high costs. The sol-gel route offers an economical alternative to the manufacturing of optical films, and with recent advancements in nano-imprinting, it provides a scalable alternative to conventional methods like lithography and etching. However, due to its complexity and multidisciplinary nature, this approach has historically resulted in the production of materials with structures and properties that are challenging to adjust. In the course of this thesis, we will demonstrate, through a detailed study of the physico-chemical phenomena that occur during the fabrication of TiO2 nanostructures via the sol-gel route, that this approach actually enables the production of materials with optical properties comparable to, if not better than, those obtained by vacuum deposition methods, depending on the targeted functionalities, through precise control of various formulation and processing conditions. We will thus show that it is possible to harness the exceptional properties of titanium dioxide in various applications, ranging from waveguides to anti-reflective coatings to metasurfaces, by leveraging low-cost industrialization processes. In summary, this thesis will highlight the potential of the sol-gel route for the production of high-quality optical materials, opening up new prospects for harnessing the properties of titanium dioxide in advanced photonic applications.