Study on the optical properties of metal-dielectric nanocomposite materials induced by laser - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Study on the optical properties of metal-dielectric nanocomposite materials induced by laser

Étude des propriétés optiques des matériaux nanocomposites métal-diélectrique induites par laser

van Doan Le
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1365381
  • IdRef : 276510380

Résumé

Structural color arises from the interaction between light and nanostructured materials. The ability to control the structural colors of nanomaterials has generated significant interest in metasurface research due to their potential for a wide range of industrial applications, such as vision, display technologies, data encoding, and anti-counterfeiting. However, scaling up production presents a major challenge for customizing the metasurfaces. Laser-based techniques offer a potential approach to overcome such challenge owning to the simplicity, cost-effectiveness and scalability. Nonetheless, the laser-induced materials typically suffer from intrinsic imperfections, including variable particle sizes, imperfect organization, and different surface morphologies. The optical responses of the material are thus characterized by their statistical properties, making the researches in color properties challenging.This thesis investigates the optical properties of mesoporous TiO2 thin films impregnated with small silver particles deposited on glass substrates processed by lasers. The main objectives of this thesis are to understand how structural inhomogeneities affect the optical properties of the materials and the mechanisms that lead to different diffracted and dichroic properties arising from their statistical properties.The thesis consists of five main parts. The first part presents the theoretical background, including the plasmonic resonance properties of silver particles under varying opto-geometrical parameters. The simulation method based on T-matrix and scattering matrix formalisms to solve the multiple scattering problem is also discussed. The second part presents the experimental techniques used in this thesis, including the preparation of sol-gel-based samples, laser printing experiments, and color characterization. The following three parts contain the main results of the thesis. Part 3 focuses on the study of dichroism arising from the coupling between plasmonic and photonic resonances excited within laser-structured films. It investigates how statistical properties affect simulation results and the influence of imperfections on the optical properties. Part 4 concentrates on the colored properties, diffraction, and dichroism of materials controlled by nanosecond laser pulses. The mechanisms by which certain samples exhibit diffraction, some show dichroism, while others exhibit both optical phenomena simultaneously, are also addressed. Finally, Part 5 examines the diffraction properties of structures with three superimposed gratings induced by a continuous laser.
La couleur structurale résulte de l'interaction entre la lumière et les matériaux nanostructurés. La capacité à contrôler les couleurs structurales des nanomatériaux a suscité un intérêt significatif dans la recherche sur les métasurfaces en raison de leur potentiel pour une large gamme d'applications industrielles, telles que la vision, les technologies d'affichage, l'encodage de données et la lutte contre la contrefaçon. Cependant, l'augmentation de la production représente un défi majeur pour la personnalisation des métasurfaces. Les techniques basées sur le laser offrent une approche potentielle pour surmonter un tel défi en raison de leur simplicité, de leur rentabilité et de leur évolutivité. Cependant, les matériaux induits par laser souffrent généralement d'imperfections intrinsèques, notamment des tailles de particules variables, une organisation imparfaite et des morphologies de surface différentes. Les réponses optiques du matériau sont donc caractérisées par leurs propriétés statistiques, ce qui rend la recherche sur les propriétés colorées difficile.Cette thèse étudie les propriétés optiques de films minces de TiO2 mésoporeux imprégnés de petites particules d'argent déposées sur des substrats en verre et traitées par des lasers. Les principaux objectifs de cette thèse sont de comprendre comment les inhomogénéités structurales affectent les propriétés optiques des matériaux et les mécanismes qui conduisent à différentes propriétés de diffraction et de dichroïsme résultant de leurs propriétés statistiques.La thèse se compose de cinq parties principales. La première partie présente le contexte théorique, y compris les propriétés de résonance plasmonique des particules d'argent en fonction des paramètres opto-géométriques variables. La méthode de simulation basée sur les formalismes de la matrice T et de la matrice de diffusion pour résoudre le problème de la diffusion multiple est également discutée. La deuxième partie présente les techniques expérimentales utilisées dans cette thèse, notamment la préparation d'échantillons à base de sol-gel, les expériences d'impression laser et la caractérisation des couleurs. Les trois parties suivantes contiennent les principaux résultats de la thèse. La partie 3 se concentre sur l'étude du dichroïsme résultant du couplage entre les résonances plasmoniques et photoniques excitées dans les films structurés par laser. Elle examine comment les propriétés statistiques affectent les résultats des simulations et l'influence des imperfections sur les propriétés optiques. La partie 4 se concentre sur les propriétés colorées, la diffraction et le dichroïsme des matériaux contrôlés par des impulsions laser de nanoseconde. Les mécanismes par lesquels certains échantillons présentent une diffraction, d'autres montrent un dichroïsme, tandis que d'autres présentent simultanément les deux phénomènes optiques sont également abordés. Enfin, la partie 5 examine les propriétés de diffraction de structures comportant trois réseaux superposés induits par un laser continu.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04512510 , version 1 (20-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04512510 , version 1

Citer

van Doan Le. Study on the optical properties of metal-dielectric nanocomposite materials induced by laser. Optics / Photonic. Université Jean Monnet - Saint-Etienne, 2023. English. ⟨NNT : 2023STET0026⟩. ⟨tel-04512510⟩
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