Indice de réfraction de couches minces structurées

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Indice de réfraction de couches minces structurées

Journée CMDO+F. Flory, L. Escoubas, JJ Simon, P. Torchio et

plusieurs doctorants

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

indice de réfraction de couches minces #indice de réfraction de matériaux massifs

Car les couches minces sont:

• Moins denses• Composition chimique différente• Nanostructures complexes

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Image au microscope électronique (électrons secondaires) de la fracture d’un substrat de verre traité avec une couche de TiO2 déposée par évaporation

condensation avec un canon à électrons

Exemple de nanostructure d’une couche mince déposée par

évaporation classique

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Observation TEM d’une couche de TiO2 décollée de son substrat

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

• Comment mesurer l’indice et ses modifications ?

• Comment modéliser l’indice?• Comment contrôler l’indice?

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Mesures des propriétés optiques statiques

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Mesures de R&T(λ)

Avec une précision de 10-3 sur R et T, précision de 10-2 sur n et de ~ 10nm sur e

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Ellipsomètrie

Très sensible (interfaces, absorption, anisotropie, homogénéité, diffusion, ..)

( )[ ] Δ=−= isp

s

p

s

p eirr

rr

ψδδ tanexp

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Coupleur à prisme (m-lines)

θ

k1

k2

kk1/k0 =Neff

k0 = 2π/λ

- Mode guidé = résonance

- Grande longuerd’interaction ==> très bonne sensibilité

Mesures des angles de synchronisme :

pas de photométrie

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

M-lines

2 β n,e

Avec une précision de 1’ sur θ précision de 10- 3 sur n et de ~ 1nm sur e

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Characterization with the prism coupler technique

• Refractive index, anisotropy of single layers or layers in a multilayer stack

• Refractive index modification with temperature ∂n/∂T

• Refractive index modification under illumination n2

• Thermal properties of thin films

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Mesures des propriétés optiques dynamiques

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

• Procédure expérimentale: mesure de ∂n/∂T

•Couches minces déposées sur un substrat; au moins un mode guidé•Chauffage par paliers, attente d’une valeur stable dans le domaine 20°C – 90°C•Mesure de la température de l’échantillon au thermocouple•Mesure du déplacement angulaire de la ligne de mode

a épaisseur constante, mesure de la variation d’indice de réfraction

Exemple de variation de l’indice de réfraction en fonction de la température λ=632,8nm, guide d’onde TiO2 – IAD surun substrat de B16, épaisseur=533 nm

20 30 40 50 60 702,379

2,380

2,381

2,382

2,383

Indi

ce d

e ré

frac

tion

Temperature (°C)

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Two beam m-lines technique

Pump laser

Probe laser

Lock-in amplifier

Photodiode

Acousto-opticmodulatorAir layer

Thin film

Substrate

Mirror

Lenses

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Modification of the refractive index of a Ta2O5 layer versus the guided light

intensity

Δ n (x10 6 )

Intensity (GW/m2)

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Δ(1/n2) versus the electric field for a layer of PLZT (PLD)

0 50 100 150 200 2500.0

1.0x10-7

2.0x10-7

3.0x10-7

4.0x10-7

5.0x10-7

6.0x10-7

Δ(1

/n2 )

E (kV/m)

Linear and quadratic electro-optical coefficients, are deduced by fitting the curve: r = 27.8 pm/V and R=1.9x10-16 m2/V2.

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Modélisations

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Indice effectif de couches minces lacunaires

)2()2)(1()2()2)(1(

22

22222

+++−+++−

=i

iif npnp

nnpnnpn

m

mm

imf nppnn )1( −+= Kinoshita and Nishibori

small spheres of bulk material : Maxwell-Garnett

22

2242

)1()1()1()1(

i

ii

npnpnnpnp

nm

mf

++−−+−

=orientated ellipsoids :

Bragg and Pippard

P = packing density

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Measured refractive index of lacunar thin films

Measurements obtained from thin films deposited by IAD with different ion energies

P.J. Martin, R.P. Netterfield and W.G. Sainty, J. Appl. Phys., 55, p 235 (1984)

n

p

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Modèle pour les couches àstructure en nanocolonnes

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Transmission entre polariseurs croisés d’une couche anisotrope en

fonction de son épaisseur

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Réflexions et transmissions d’une couche anisotrope en lumière polarisée

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Amplificateur transimpédanceVoltmètre (20000 points)

Laser HeNe

Platine de rotation (porte échantillon)

Photodiode (PIN10)Polariseur P1 Polariseur P2 Polariseur P3

ϕ0 ϕν

Figure 10-C Schéma de l' appareillage de mesure de Tps(φ) et de Tsp(φ) en incidence normale.

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Constantes de propagation guidée en fonction de l’orientation Φ du plan d’incidence

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Nanostructure of a TiO2 film made by IAD

TiO2

100nm

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

H

L

H

.

.

.

Comportement de couche unique

Transmission spectrale d’un miroir de laser (19 couches de ZNS/Cryolithe)

n2

n1

Biréfringence de forme

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

nTE

400 nm

Silicasubstrate

nTM

70 nm

nTM2 = nH

2/2 + nL2/2 pour la polarisation TM et nTE

2 = nH2 x nL

2/ (nH2/2 + nL

2/2) pour TE

Pas du réseau : 400nm λ = 1,3µm

Tps calculé with

nTE = 1.343 et nTM = 1.202

Measured Tps in normal incidence

-2,E-05

0,E+00

2,E-05

4,E-05

6,E-05

0 50 100 150 200

Angle (°)

Tps Tps

nTE = 1.045 et nTM = 1.041

Anisotropie d’une couche de résine photosensible gravée avec un réseau sub λ

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Quelques exemples d’applicationsde couches structurées

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Very Narrow band , polarization rotator working in reflection

The layer B* is assumed to be composed of two parts : a grating layer made of implanted silica and a layer of not implanted silica

Calculation made by taking into account the refractive index profile measured on an implanted silica layer

Incidence normale

Optique libre : Propiétés optiques d’un empilement de type Fabry-Perot assymétrique ayant une couche résonante anisotrope

M14 4B* M7

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

624 626,52 629,04 631,56 634,08 636,6 639,12 641,640

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

RPPRPS

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Optical sensors for gas detection

Λ

t d

laser beam λ

transparent substrate

n N : guided mode

θ

lΛΛ

tt dd

laser beam λ

transparent substrate

n N : guided mode

θ

l

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20

t (min)

V (

mV

)

1000ppm500ppm200ppm100ppmZnO

“Nanostructured ZnO coatings grown by pulsed laser deposition for optical gas sensing of butane”, T. Mazingue et al. Journal of Applied Physics, 98, 074312 (2005).

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

4 6 8 10 12 14 160.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

030

60

90

Emis

sivi

ty

Wavelength (µm)

theory experience

Demonstration for IR (10.6 µm) :S. Enoch, J.-J. Simon, L. Escoubas, Z. Elalamy, F. Lemarquis, P. Torchio, G. Albrand, “Simple layer-by-layer photonic crystal for the control of thermal emission”, Applied Physics Letters, 87 (1), 6951 (2005)

3D photonic crystal : Ultra refractionMétamaterials

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Observation of a 2D grating in Si by AFM

[010]

[001]

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Measured and calculated spectral reflectance of a 2D grating in Si

0

2

4

6

8

10

12

4 4,2 4,4 4,6 4,8 5 5,2 5,4 5,6 5,8 6

Wavelength (µm)

Ref

lect

ance

(%)

IRSpectrophotometricmeasurement

Computation usingthe modal method :pyramidal shapewith flat surface

1 layer AR (YbF3)

1 layer AR (ZnSe)

L. Escoubas, J. J. Simon, M. Loi, G. Berginc, F. Flory and H. Giovannini, « An anti-reflective silicon grating working in the resonance domain for the near infrared spectral region, » Opt. Com.

0

4%

8%

4 6µm

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Indice de matériaux diélectriquesnanostructurés

Questions

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Lorentz model (Harmonic oscillator)

How these resonators react to an incident optical field?

What are the consequences on the absorption bandwidth and then on the refractive index?

Nanometers

++ + + +

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Resonances at ω0 in a 2D boxDepending on the coherence length the oscillators can be locked with its neighbors

Effet de confinement quantique ?

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Resonant wavelengths in the absorption band

ω

What are the consequences on the refractive index?

?

11 et 12 septembre 2008

F. Flory

Conclusion and perspectives• Structuration of surfaces or thin films has many interests:

– To control the refractive index or the effective index – To design many different optical components with new optical

properties– To make metamaterials of effective index lower than 1, equals 0 or

even negative• Inclusion of nanoparticules of metals in a dielectric material

(Plasmonics):– An emerging field

• Solar cells• Metamaterials

• Nanostructured dielectric materials– What can occur if a dielectric material is structured in a nanometric

scale, close to the coherence length of the local oscillators?– How is the refractive index modified In case of quantum confinement?– How the absorption band, the refractive index and the non linear

properties will change?