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Sommaire: Techniques d’optique et d’acoustique ultra-rapides pour la caractérisation des propriétés des matériaux nano/méso-poreux et des opales synthétiques
Table des figures
Résumé de thèse
Introduction générale
I. Acoustique picoseconde, génération et détection
A. Rappel historique
B. Description de la technique
1) Génération
a) Montage optique
b) Interaction lumière matière ; génération des ondes acoustiques
2) Détection
a) Equation générale de la réflectivité transitoire
b) Diffusion Brillouin dans les milieux transparents
(1) Théorie de la diffusion Brillouin
(2) Diffusion Brillouin, vibrations
(3) Changement de phase
(4) Applications de la diffusion Brillouin
c) Diagnostics des couches minces par méthode écho
3) Simulations numériques des signaux de réflectivité
a) Exemples de signaux de réflectivité
b) Simulation des différentes composantes du signal de réflectivité
II. Présentation des systèmes étudiés
A. Historique des low-κ
1) Intérêt général
a) Influence des low-κ sur l´évolution de la microélectronique
b) Low-κ par réduction de la polarisabilité
c) Low-κ par introduction des pores
2) Structures méso et nano-poreuses
a) Préparation des échantillons Silice/P123
b) Description des nano-poreux industriels
B. Alumine Poreuse
1) Réceptacle 3D pour la fabrication de nano-colonnes
2) Intérêt industriel
3) Alumine poreuse
a) Montage électrochimique d’anodisation
b) Conditions électrochimiques
c) Description de l´échantillon
C. Les opales synthétiques
1) Réseaux de Bragg
2) Cristaux photoniques
3) Sédimentation chimique et auto organisation
4) Structures photoniques ; opales synthétiques
a) Réseau cubique à faces centrées
b) Opales avec remplissage de GaAs
III. Etude des propriétés élastiques de matériaux méso et nano-poreux
A. Système de silice méso-poreuse
1) Méthodologie de mesure
2) Extraction des paramètres mécaniques : module de Young E et module longitudinal M
3) Réflectivité transitoire des systèmes méso-poreux
4) Analyse des résultats
a) Silice/Polymère P123
b) Silice/Air
5) Homogénéité de la structure
6) Réflectométrie optique, validation de l´épaisseur
7) Discussion
8) Conclusion
B. Système de low-κ nano-poreux
1) Résultats expérimentaux sur les nano-poreux épais
2) Validation des constantes optiques par réflectométrie optique
3) Caractérisation en profondeur
a) Origine du changement de fréquence Brillouin
(1) Inhomogénéité de l´épaisseur de la couche
(2) Traitement UV de la silice poreuse
b) Résultats expérimentaux
c) Simulation numérique
d) Validation du modèle
4) Film nano-poreux mince (200nm)
a) Réflectométrie optique
b) Résultats expérimentaux
5) Conclusion
C. Alumine poreuse
1) Résultats Expérimentaux
a) Analyse de la diffusion Brillouin
b) Impulsion écho, épaisseur de l´échantillon
c) Oxydation du substrat
d) Vibration à 24 GHz
e) Modes propres d´un résonateur composite
2) Calcul de la porosité, extraction du module longitudinal
a) Calcul de la porosité
(1) Par analyse Brillouin
(2) Par traitement d´images
b) Extraction du module longitudinal
3) Détermination du coefficient d’absorption acoustique
4) Conclusion
IV. Opales synthétiques
A. Résultats Expérimentaux
1) Caractérisation photonique ; choix des longueurs d´ondes
2) Dynamique picoseconde
B. Équation du mouvement
1) Solutions numériques
2) Eléments finis, analyse modale
C. Discussion
1) Génération, détection
2) Étude des oscillations
3) Ralentissement de la lumière
D. Conclusion et perspective
V. Conclusion et perspectives
Annexes
A. Propriétés des matériaux utilisés
B. Outils de traitement du signal
C. Calcul d´incertitude
D. Modèle Maxwell-Garnett
E. Polissage mécanique
Références Bibliographique
Extrait du mémoire techniques d’optique et d’acoustique ultra-rapides pour la caractérisation des propriétés des matériaux nano/méso-poreux et des opales synthétiques
Chapitre 1: Acoustique picoseconde, génération et détection.
A. Rappel historique
L´avènement des lasers, au début des années 60 a marqué une nouvelle page dans l´histoire de la physique moderne en révolutionnant des domaines de recherche tel que l´optique ou la thermique. Les lasers impulsionnels, quant à eux, ont permis à l´acoustique de franchir la barrière fréquentielle du GHz et d´étendre ainsi ses possibilités de mesures à des phénomènes dont la durée caractéristique se situe dans la gamme de la picoseconde avec l´apparition des lasers impulsionnels femtosecondes vers le début des années 80. Les lasers impulsionnels sont à la base des techniques de métrologie appelées « ultrasons laser » ou acoustique ultra brève analogue à la technique de sonar mais mettant en jeu une source laser. Ces techniques sont basées historiquement sur l´excitation de la surface d´un film absorbant à l´aide d´une radiation laser. Une onde acoustique est alors créée par conversion de l´énergie électromagnétique en énergie mécanique. Les champs de déformation qu’induisent ces ondes acoustiques photo-générées perturbent les propriétés optiques du système étudié. Aussi, l’emploi d’un second laser (faisceau sonde) permet alors de détecter les perturbations induites par ces ondes acoustiques et fournit par conséquent des informations sur leur propagation, leur atténuation et leur réflexion au niveau des interfaces par exemple.
Techniques d’optique et d’acoustique
La détection optique de ces perturbations peut se faire en géométrie de réflexion ou de transmission. Sur le schéma de la figure 1.1 est représenté le faisceau pompe qui génère ces ondes acoustiques et le faisceau sonde qui les détecte après différents allers-retours dans un film déposé sur un substrat.
Cette technique relativement récente a été mise au point dans le département de physique de l’université de Brown par C. Thomsen, J. Strait, Z. Vardeny , H. J. Maris et J.
Techniques d’optique et d’acoustique
Tauc [1, 11] mais aussi dans les laboratoires de General Motors [3] et AT&T [2] aux EtatsUnis. Les premières expériences ont mis en évidence des changements périodiques dans le signal de réflectivité transitoire, changements dont l´origine fut attribuée à la propagation de phonons acoustiques de très hautes fréquences qu´on ne pensait pas pouvoir atteindre à l´époque. La figure 1.2 illustre les hautes fréquences mises en jeu lors d´une expérience en acoustique ultra brève pompe sonde. Cette technique était tout de suite d´un grand intérêt pour étudier les films nanométriques et a permis de mettre au jour une nouvelle façon de déterminer l´épaisseur de couches nanométriques, la vitesse de propagation des ondes acoustiques ainsi que l´atténuation dans les matériaux.
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