Structuration du silicium par laser femtoseconde PDF Download
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Il a été montré récemment (Mazur et al, Harvard University) qu'un moyen simple d'améliorer le rendement des cellules solaires photovoltaïques actuelles pouvait être obtenu en irradiant la structure du silicium avec des impulsions laser femtoseconde en présence d'un gaz sulfuré (SF6). Cette irradiation entraîne la formation de micro-structures érigées (spikes) sur la surface. Celle ci devient ainsi fortement absorbante au rayonnement solaire (black silicon). Le travail effectué durant cette thèse a porté sur plusieurs points. Dans un premier temps une étude complète a été menée sur les différents paramètres expérimentaux permettant la création de ces micro-structures à la surface du silicium. Parallèlement, des séries d'expériences ont été menées pour permettre la compréhension des mécanismes physiques entraînant leur formation. Par la suite, les surfaces de silicium micro-structurées ont été caractérisées optiquement. Les résultats obtenus permettent d'avoir une absorption de 96 % du silicium dans les spectre UV et visible. Des cellules solaires complètes ont été réalisées afin d'en caractériser électriquement les performances.
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Il a été montré récemment (Mazur et al, Harvard University) qu'un moyen simple d'améliorer le rendement des cellules solaires photovoltaïques actuelles pouvait être obtenu en irradiant la structure du silicium avec des impulsions laser femtoseconde en présence d'un gaz sulfuré (SF6). Cette irradiation entraîne la formation de micro-structures érigées (spikes) sur la surface. Celle ci devient ainsi fortement absorbante au rayonnement solaire (black silicon). Le travail effectué durant cette thèse a porté sur plusieurs points. Dans un premier temps une étude complète a été menée sur les différents paramètres expérimentaux permettant la création de ces micro-structures à la surface du silicium. Parallèlement, des séries d'expériences ont été menées pour permettre la compréhension des mécanismes physiques entraînant leur formation. Par la suite, les surfaces de silicium micro-structurées ont été caractérisées optiquement. Les résultats obtenus permettent d'avoir une absorption de 96 % du silicium dans les spectre UV et visible. Des cellules solaires complètes ont été réalisées afin d'en caractériser électriquement les performances.
Author: Arnaud Royon Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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Three-dimensional femtosecond laser structuring has a growing interest because of its ease of implementation and the numerous possible applications in the domain of photonic components. Structures such as waveguides, diffraction gratings, optical memories or photonic crystals can be fabricated thanks to this technique. Its use with oxide glasses is promising because of several advantages; they are resistant to flux and ageing, their chemical composition can easily be changed to fit the well-defined requirements of an application. They can already be found in Raman amplifiers, optical fibers, fiber lasers, and other devices. This thesis is based on two axes. The first axis consists in characterizing the linear and nonlinear optical properties of bulk vitreous materials in order to optimize their composition with a particular application in view. Within this context, the nonlinear optical properties, their physical origins (electronic and nuclear) as well as their characteristic response times (from a few femtoseconds to a few hundreds of picoseconds) are described within the Born-Oppenheimer approximation. Fused silica and several sodium-borophosphate glasses containing different concentrations in niobium oxide have been studied. Results show that the nonlinear optical properties of fused silica are mainly from electronic origin, whereas in the sodium-borophosphate glasses, the contribution from nuclear origin becomes predominant when the concentration of niobium oxide exceeds 30%. The second axis is based on the structuring of materials. Three commercially available fused silica samples presenting different fabrication conditions (therefore distinct impurity levels) and irradiated with a near infrared femtosecond laser have been studied. The laser induced defects have been identified by means of several spectroscopic techniques. They show the formation of color centers as well as a densification inside the irradiated area. Their linear refractive index and nonlinear third-order susceptibility properties have been measured. Moreover, the structuring of fused silica at the subwavelength scale into “nanogratings” is observed and the form of birefringence induced by these structures is discussed. In addition to the fused silica samples, several oxide glasses presenting very distinct chemical compositions have been studied. A sodium-borophosphate glass containing niobium oxide exhibits micro-cracks and nano-crystallites following irradiation. A silicate glass with or without a silver component reveals fluorescent rings or “nanograting” structures. A zinc phosphate glass containing silver also presents fluorescent ring structures, with a size of the order of 80 nm, well below the diffraction limit. Pump-probe microscope techniques have been performed on this glass to investigate the laser-glass interaction. The absorption mechanism is determined to be four-photon absorption. The generated free electron density is ~ 1017 cm-3, which suggests the conclusion that an electron gas rather than a plasma is formed during the laser irradiation.
Author: Pavel Bizi Bandoki Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 236
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De nombreuses applications industrielles mettent en évidence l’importance des propriétés de mouillage des surfaces métalliques que ce soit directement pour les propriétés d’écoulement de fluides sur ces surfaces ou indirectement pour leur lien avec les phénomènes d’adhésion. Les travaux de Wenzel (1936) et de Cassie -Baxter (1944) ont montré que cette mouillabilité dépendait à la fois de la tension superficielle du solide mais aussi de sa topographie de surface. Ainsi la maîtrise et l’optimisation de ces propriétés nécessitent le contrôle de ces deux aspects, à l’image de la feuille de lotus dont le caractère super-hydrophobe réside à la fois en la présence d’une cire hydrophobe et d’une rugosité multi-échelle. Ces observations sont à l’origine, cette dernière décennie, du développement des techniques de gravures chimiques pour réaliser des texturations superficielles de matériaux et contrôler leur mouillabilité. Afin de surmonter certaines limitations de ces techniques et privilégier un procédé par voie sèche, nous avons envisagé de structurer la surface d’alliages métalliques de titane, d’aluminium, et de différents aciers inoxydables, au moyen d’un traitement de surface par laser femtoseconde. L’analyse topographique de la surface des matériaux (profilométrie optique, AFM, MEB) en fonction des paramètres d’irradiation du laser comme la densité de puissance laser, le nombre d’impulsions et le décalage latéral du faisceau en configuration balayage, a montré l’efficacité de ce procédé pour générer des texturations multi-échelles. Les différentes morphologies de textures peuvent être associées à des transitions de régimes dans l’interaction laser - matière (ripples, spikes, ...). L’analyse chimique et structurale (DRX, XPS) des surfaces traitées a mis en évidence des modifications microstructurales dues aux effets thermiques du laser ainsi qu’une évolution de l’état chimique de la surface dont les effets sur la mouillabilité sont importants. L’hydrophobie des surfaces métalliques a été considérablement accentuée par le traitement laser. Ces résultats pourront être exploités pour différentes applications industrielles notamment comme moyen de contrôler l’état de surface des moules de plasturgie.
Author: Marie Vangheluwe Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 199
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La structuration laser femtoseconde de verres d'oxydes est aujourd'hui un domaine de recherche en pleine expansion. L'interaction laser-matière est de plus en plus utilisée pour sa facilité de mise en œuvre et les nombreuses applications qui découlent de la fabrication des composants photoniques, déjà utilisés dans l'industrie des hautes technologies. En effet, un faisceau d'impulsions ultracourtes focalisé dans un matériau transparent atteint une intensité suffisante pour modifier la matière en trois dimensions sur des échelles micro et nanométriques. Cependant, l'interaction laser-matière à ces régimes d'intensité n'est pas encore complètement maîtrisée, et les matériaux employés ne sont pas entièrement adaptés aux nouvelles applications photoniques. Par ce travail de thèse, nous nous efforçons donc d'apporter des réponses à ces interrogations. Le mémoire est articulé autour de deux grands volets. Le premier aborde la question de l'interaction de surface de verres avec de telles impulsions lumineuses qui mènent à l'auto-organisation périodique de la matière structurée. L'influence du dopage en ions photosensibles et des paramètres d'irradiation est étudiée afin d'appuyer et de conforter le modèle d'incubation pour la formation de nanoréseaux de surface. À travers une approche innovante, nous avons réussi à apporter un contrôle de ces structures nanométriques périodiques pour de futures applications. Le second volet traite de cristallisation localisée en volume induite en grande partie par l'interaction laser-matière. Plusieurs matrices vitreuses, avec différents dopages en sel d'argent, ont été étudiées pour comprendre les mécanismes de précipitation de nanoparticules d'argent. Ce travail démontre le lien entre la physicochimie de la matrice vitreuse et le caractère hors équilibre thermodynamique de l'interaction qui influence les conditions de nucléation et de croissance de ces nano-objets. Tous ces résultats sont confrontés à des modélisations de la réponse optique du plasmon de surface des nanoparticules métalliques. Les nombreuses perspectives de ce travail ouvrent sur de nouvelles approches quant à la caractérisation, aux applications et à la compréhension de l'interaction laser femtoseconde pour l'inscription directe de briques photoniques dans des matrices vitreuses.
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Au delà du simple dépôt d'énergie obtenu par des lasers à impulsions longues, le laser femtoseconde conduit à la création de forces agissant sur la matière qui impriment une nanostructuration en volume dans la silice classée dans les dommages de type II. Si on s'avérait capable de maîtriser ces forces, on pourrait alors dépasser les applications actuelles des lasers et ouvrir de nouvelles possibilités en sciences des matériaux. Une partie de cette thèse vise à caractériser et à comprendre les transformations induites par le laser.Dans un premier temps, cette thèse contribue à l'amélioration de nos connaissances concernant la sensibilité de l'interaction à la direction d'écriture et de la polarisation. A travers l'étude des propriétés optiques de la biréfringence linéaire et de l'analyse fine des observations des traces d'interaction, on a pu mettre en évidence son origine dans l'asymétrie spatiale du faisceau et conforter le modèle de la biréfringence de forme à l'origine d'une forte biréfringence. L'ensemble des études a permis la détermination des mécanismes physiques mis en jeu lors de l'irradiation laser en volume.La seconde découverte, également à la base de cette thèse, est la présence d'une chiralité photo-induite. Dans ce sens, nous avons étudié les propriétés circulaires mais la caractérisation de celles-ci soulève des problèmes techniques : les mesures sont faussées en raison de la présence simultanée de fortes propriétés linéaires et de faibles propriétés circulaires. Néanmoins, l'interprétation des mesures mettent en évidence la présence d'une circularité sans pour autant la quantifié.
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La structuration de matériaux transparents (verre, eau, ...) irradiés par des impulsions lasers intenses brèves (nanoseconde) et ultra-brèves (femtoseconde) trouve de nombreuses applications dans les domaines de la biomédecine, des nano-optiques ou encore de l'endommagement d'optiques par des lasers de puissance. Dans un premier temps, nous avons modélisé le processus d'éjection qui se produit lors du transfert d'un matériau liquide (eau, hydrogel) lorsque la cible est irradiée par un laser nanoseconde. Le matériau est ici chauffé par conduction thermique via un ablateur métallique, et l'éjection est réalisée via un processus purement hydrodynamique. Si l'on considère maintenant cette même technique réalisée avec un laser femtoseconde, on peut envisager de transférer des volumes de matière nanométriques, ce qui correspond à la taille typique d'une molécule. En régime femtoseconde, les processus d'absorption de l'énergie sont différents, de même que les échelles de temps sur lesquels ils se produisent. Si l'impulsion laser est suffisamment focalisée dans le matériau, un plasma se forme dans la zone d'absorption, où la densité d'énergie atteinte est supérieure à l'énergie de liaison des matériaux considérés (eau, silice, mica). Un modèle d'ionisation et de chauffage des électrons a été mis en place et a été couplé à un code de propagation instantanée des ondes électromagnétiques. Trois applications ont été étudiées, correspondant à trois configurations laser/cible différentes : (1) un processus de formation de jets liquides et solides prometteur pour la réalisation de nano-optiques, (2) la formation de nanocavités à l'intérieur d'un volume de silice pouvant servir comme stockage d'information, (3) l'étude des seuils d'endommagement et d'ablation de la silice en surface. Dans chaque cas, la densité d'énergie absorbée a été utilisé comme donné initiale pour le code d'hydrodynamique CHIC qui a permis de suivre l'évolution du matériau après l'irradiation : ondes de compression, changements de phase, etc... La résolution couplée de la propagation du laser et de son absorption dans la matière nous a permis de mener une étude à la fois qualitative et quantitative de l'interaction. La comparaison avec les données expérimentales a aboutit à l'amélioration du modèle d'absorption et de chauffage.
Author: David Bruneel Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Le développement actuel de la technologie induit une constante nécessité d'obtenir des tailles de plus en plus petites pouvant descendre jusqu'à des dimensions micrométriques et sub -micrométriques. L'ablation laser, qui a le grand avantage d'un enlèvement de matière très précis, est un candidat prometteur. Dans cette thèse on démontre la faisabilité de tirer avantage des impulsions laser femtosecondes avec la matière pour la micro et nano structuration, et ceci en ayant développé une machine compacte de grande précision et flexibilité. Une approche théorique comparant les régimes d'interaction à haute et basse cadence est présentée. Des investigations de l'efficacité du temps de procédé aussi bien que l'effet de la cadence pendant l'ablation de métaux ont été effectuées. Le potentiel de l'outil multifonctionnel couplé avec un oscillateur laser femtoseconde à haute cadence est montré pour différentes applications en biotechnologie. Les résultats sur la cartographie d'une large zone aussi bien que la nano découpe de précision de tissus biologiques et de matériaux variés sont présentés. Cet outil polyvalent couvre de larges domaines de recherche de la nano découpe d'échantillons biologiques aussi bien que la nanostructuration de différents types de matériaux. C'est d'un grand intérêt pour de nombreuses applications en science des matériaux, nanobiotechnologie et nanomédecine.
Author: Kevin Bourhis Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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La focalisation de lasers à impulsions ultra-brèves dans les verres a montré des potentialités importantes pour la structuration des matériaux transparents, permettant d'envisager la réalisation de dispositifs tout-optique en une seule étape. Le développement de nouveaux matériaux vitreux de composition 40P2O5-55ZnO-xAg2O-(5-x)Ga2O3 permet de tirer avantage de la photosensibilité de l'ion Ag+ pour la structuration de propriétés optiques au cœur du matériau. L'augmentation du taux d'oxyde de gallium provoque la dépolymérisation des chaînes phosphates et s'accompagne de la réticulation du réseau vitreux par des polyèdres GaOx (4 ≤ x ≤ 6). La formation de des derniers n'affecte pas les propriétés d'émission lumineuses, qui proviennent des ions Ag+ isolés dans différents sites cristallographiques. L'exposition des verres sous faisceau laser intense provoque la formation de centres-trous Ag2+, responsables d'une luminescence intense, et de pièges d'électrons Ag0. Un traitement thermique consécutif ou simultané à l'irradiation provoque la dissociation de ces espèces, et s'accompagne de la formation d'agrégats moléculaires de la forme Agmx+. L'utilisation d'un laser femtoseconde à haute cadence permet, en combinant création de paires électron-trou et élévation locale de la température, de réaliser des architectures complexes conduisant à la structuration de propriétés optiques.
Author: Rémi Torres
Author: Rémi Torres
Author: Nicolas Berton
Author: Arnaud Royon
Author: Pavel Bizi Bandoki
Author: Marie Vangheluwe
Author: Rudy Desmarchelier
Author: Candice Mezel
Author: David Bruneel
Author: Kevin Bourhis
Author: Patrick Soucy