Depuis les vingt dernières années, l’industrie textile européenne innove sans cesse en développant des textiles intelligents de plus en plus techniques et à haute valeur ajoutée afin de contrer la concurrence asiatique qui est devenue leader dans la production de textiles traditionnels bon marché. Le développement de ces textiles intelligents passe par l’alliance de technologies de pointe telles que les micro- et nanotechnologies aux méthodes classiques de l’industrie textile telles que le tissage, le filage, le tricotage… Ce rapprochement ouvre des perspectives dans des domaines d’applications diverses allant du bâtiment à la médecine en passant par le vestimentaire et l’agroalimentaire. Cette thématique s’inscrit également dans la volonté de concevoir des produits toujours plus économes en énergie, un des axes de recherche majeur de la troisième révolution industrielle.
Ce travail de thèse s’inscrit dans cette convergence entre ces deux mondes. Elle a pour objectif la fabrication de membranes polymères structurées à l’échelle de la longueur d’onde du moyen infrarouge capables de moduler dynamiquement et de façon intelligente leurs propriétés optiques dans le MIR en fonction des conditions environnementales dans lesquelles elles se trouvent. Cette membrane sera intégrée à un textile afin d’agir sur le confort thermique du porteur en renvoyant plus ou moins intensément le rayonnement infrarouge émit par le corps humain.
Dans le premier chapitre de cette thèse, nous avons vu que la notion de confort thermique est une notion subjective, purement qualitative et complexe faisant intervenir de nombreux facteurs physiologiques et psychologiques. Il existe différents aspects du confort : le confort psychologique, le confort sensoriel, le confort ergonomique et le confort thermique mais dans le cadre de ce projet nous nous sommes seulement intéressés au confort thermique. Celui-ci est très sensible à la physiologie (métabolisme) de l’individu ainsi qu’aux conditions environnementales dans lesquelles il se trouve et son maintien résulte dans l’équilibre entre les gains (thermogénèse) et les pertes de chaleur (thermolyse) subies par l’individu. Dans ces conditions, le textile va alors agir sur les transferts thermiques et hydriques à l’interface peau-textile (microclimat), afin de maintenir ce confort thermique en toute situation (aspect dynamique de la thermorégulation), le textile est alors qualifié de textile intelligent (« smart textiles »). En effet, celui-ci va alors agir sur les transferts thermiques et hydriques se produisant par convection, conduction, évaporation et rayonnement. C’est sur le dernier que nous nous sommes concentrés puisque qu’il représente la majorité des pertes thermiques subies par le corps humain. Le rayonnement thermique du corps humain se trouvant dans la gamme du moyen infrarouge (MIR), la membrane polymère incorporée au textile devra être capable de renvoyer ce rayonnement vers le corps humain afin de limiter les pertes thermiques et maintenir le confort.
Dans le domaine du textile, certains matériaux sous forme de membranes ou de fibres existent déjà et sont même commercialisés par des enseignes célèbre (Nike, GoreTex, Damart…) mais ceux-ci agissent sur les transferts par conduction, convection et évaporation mais pas sur les transferts radiatifs. Cependant dans la littérature, on trouve des matériaux, qui dotés d’une structuration bien choisie, possèdent des propriétés de réflexion particulières qui peuvent être ajustées et/ou modulées en fonction de la gamme spectrale sur laquelle on veut voir apparaitre ces propriétés (visible, proche infrarouge, moyen infrarouge ou encore infrarouge lointain) ; ce sont les cristaux photoniques. Mais les cristaux ayant un effet sur les longueurs d’onde du moyen infrarouge trouvés dans la littérature sont fabriqués à partir de silicium ou de germanium et sont incompatibles avec une application textile. Le but est de fabriquer une membrane photonique tout polymère capable d’agir sur les longueurs d’onde du moyen infrarouge. Quelques articles très récents font état de fibres et de membranes polymère présentant des propriétés réflectives dans l’IR fortement intéressantes, cependant ils ont soit un effet refroidissant soit un effet réchauffant et n’entrent pas dans une thermorégulation dynamique.
In fine, nous proposons donc de fabriquer une membrane polymère capable d’agir dynamiquement sur la réflexion du rayonnement émis par le corps humain, ce qui, à notre connaissance, n’a jamais encore été mis en avant dans une publication scientifique.
Le second chapitre nous a permis de décrire la méthode de simulation FDTD que nous avons utilisé pour déterminer les dimensions des structures à fabriquer et réaliser une étude théorique complète sur l’influence des différents paramètres des réseaux de poutres et de trous à base de silicium polycristallin sur leurs propriétés de réflexion dans le domaine spectral du moyen infrarouge. Le principe et les exigences de la méthode ont été énoncés et la méthode employée pour l’ajout des propriétés électromagnétiques du SiO2 implémentées dans le code via un modèle de Lorentz-Drude adapté a été détaillée et validée par la corrélation des résultats obtenus avec des exemples issus de la littérature. L’étude de l’influence des paramètres géométriques sur la réflexion des réseaux de poutres et de trous a montré que la période des réseaux permet de moduler le plus significativement leurs propriétés de réflexion. La période du réseau influe sur la gamme spectrale dans laquelle apparaissent les résonances dues à la structuration tandis que le facteur de remplissage a un effet sur l’intensité de ces résonances. Une augmentation de la période décale les résonances vers des longueurs d’ondes plus grandes et une augmentation du facteur de remplissage induit une augmentation de l’intensité de réflexion. L’intensité de réflexion des réseaux de poutres est très dépendante de la polarisation (TE ou TM) de l’onde incidente (réflexion spéculaire) contrairement aux réseaux de trous où la réflexion est omnidirectionnelle. La réalisation de cartes de champ a permis de démontrer que les résonances de type Fano, sont bien induites par le réseau et sont le résultat du couplage du mode continu de l’onde incidente et du mode localisé dans le réseau.
Un facteur d’efficacité a été déterminé pour comparer objectivement chacune des structures étudiées. Une comparaison des facteurs d’efficacité pour chaque type de réseau nous a permis de conclure que pour la gamme spectrale étudiée (5-15 µm), les facteurs d’efficacité sont plus importants et la possibilité de les moduler plus large pour les réseaux de trous avec une modulation de ± 50 % du facteur d’efficacité.
Dans le troisième chapitre, des structures modèles à base de PolySi et de SiO2 (des réseaux de poutres et des réseaux triangulaires de trous). Ces réseaux ont été fabriqués par un procédé alliant lithographie optique (UV) et gravure sèche (RIE). Les caractérisations par MEB, profilométrie et AFM des réseaux fabriqués ont montré des réseaux réguliers, sans défauts et aux dimensions souhaitées. Les caractérisations FT-IR ont confirmé les observations faites lors de l’étude théorique par FDTD à savoir que facteur de remplissage a principalement une influence sur l’intensité des pics de réflexion tandis que la période a une influence à la fois sur la longueur d’onde réfléchie et sur son intensité.
Nous avons également expliqué que les chutes de réflexion à 10 et 12,5 µm observées sur tous les spectres étaient dues à l’absorption de la couche de SiO2 se trouvant sous le réseau. Nous avons aussi mis en évidence que la suppression de cette couche de SiO2 au profit d’une couche d’air améliore nettement les propriétés du réseau du fait d’un contraste d’indice plus élevé et la suppression de l’absorption du SiO2 pour les réseaux de trous malgré une perte de planéité de la surface à l’échelle macroscopique. Les écarts types de faible amplitude témoignent de la reproductibilité des mesures. La comparaison entre les spectres expérimentaux et ceux calculés par FDTD des réseaux de poutres a mis en évidence un décalage en intensité allant de 25% à 60% selon les réseaux qui a pu être expliqué par une surévaluation de l’absorption du SiO2 dans l’étude FDTD. De même, la perte de planéité après libération des réseaux de trous engendre un élargissement des pics sur les spectres expérimentaux par rapport aux spectres FDTD. Ces observations rendent compte de la nécessité de réaliser les calculs FDTD en implémentant dans le modèle de Lorentz-Drude les propriétés diélectriques du matériau employé lors de la fabrication des structures expérimentales et non celles issus de la littérature.
Ces résultats ont permis de conclure que l’outil de mesure utilisé est calibré et que la méthode FDTD et la caractérisation FT-IR peuvent être utilisés pour l’étude des propriétés de réflexion des réseaux dans des zones où ils n’ont pas été vérifiés expérimentalement.
Et enfin le quatrième et dernier chapitre a été consacré au transfert technologique sur membrane BCB et à leurs caractérisations morphologiques et optiques dans le MIR. Une étude préalable par simulation FDTD a permis d’étudier l’influence des paramètres des réseaux de trous (diamètre de trous, période de réseau) sur leurs propriétés de réflexion dans le MIR et de définir leurs dimensions caractéristiques pour la fabrication des membranes polymères micro-structurées. Cette étude a mis en évidence la nécessité d’avoir une couche d’air entre la membrane et le substrat pour faire apparaitre des résonances de Fano. Elle a également montré que le facteur de remplissage a une influence sur l’intensité des résonances de Fano mais peu d’effet sur le facteur d’efficacité tandis que la période du réseau détermine les longueurs d’onde auxquelles elles apparaissent et fait diminuer le facteur d’efficacité à mesure qu’elle augmente. Enfin, la polarisation de l’onde incidente (TE ou TM) n’a aucune influence sur les propriétés de réflexion des réseaux de trous.
Les membranes ont été structurées via un procédé de photolithographie suivie d’une RIE puis libérées par gravure en phase vapeur au XeF2 du substrat de silicium afin d’obtenir des membranes autosupportées.
Des difficultés à obtenir des réseaux aux bonnes dimensions, à graver le BCB sur 10 µm d’épaisseur et à libérer les membranes nous ont conduits à revoir chaque étape du procédé de fabrication.
En raison du profil casquette de la résine AZnLof 2020 conduisant à des diamètres de trous trop importants, celle-ci a été remplacée par la résine SPR220 permettant ainsi d’obtenir des réseaux aux bonnes dimensions mais ne permettant pas de protéger la membrane durant toute la gravure. L’épaisseur de résine ne pouvant être augmentée sans altérer la définition des motifs, un masque d’aluminium a été ajouté afin d’assurer la protection de la membrane durant tout le processus de gravure. Des caractérisations MEB ont mis en évidence la détérioration du masque d’aluminium au cours de la gravure altérant l’intégrité de la membrane (aspect filandreux). L’épaisseur de la membrane BCB a alors été réduite à 4 µm afin de permettre à la SPR220 de protéger à elle seule la membrane durant tout le processus de gravure.
Lors de la libération de la membrane, nous avons observé un détachement de celle-ci au niveau des bords des zones structurées (pouvant être dû à la relaxation des contraintes intrinsèques de la membrane). La désolidarisation de la membrane vis-à-vis de son support supprimant la couche d’air entre la membrane et le substrat, nous ne sommes pas parvenus à obtenir une bonne corrélation entre le spectre FT-IR et celui calculé par FDTD. Il faudra donc améliorer le procédé de libération de la membrane afin de pallier ces problèmes.
Ce travail de thèse nous a donc permis de mettre en place et de valider un protocole de caractérisation des propriétés optiques dans le MIR de matériaux structurés à l’échelle du micromètre. La robustesse de ce protocole a été montrée par la caractérisation de structures modèles à base de silicium polycristallin déjà étudiées dans la littérature.
L’étude théorique par FDTD réalisée sur les membranes polymères a permis de montrer qu’une structuration à l’échelle micrométrique a une influence sur la réponse optique de celles-ci dans le MIR. Le transfert du procédé de microstructuration sur membrane polymère a pu être réalisé après avoir résolu de nombreux verrous technologiques et nous a permis d’obtenir des membranes polymères microstructurées passives à base de BCB possédant une structuration de type réseau triangulaire de trous régulière sur une surface de quelques centimètres carrés. Cependant ce procédé doit être encore amélioré afin d’obtenir des membranes totalement autosupportées et transposables sur textile.
Pour obtenir une membrane stimulo-répondante, il faudra ensuite remplacer le BCB par un polymère actif sensible à son environnement (température, humidité…). Enfin le passage à une structure fibreuse va engendrer du désordre dans la structure, ce qui va amener d’autres verrous technologiques qu’il
faudra lever. Si l’on se réfère aux exemples que l’on peut trouver dans la nature (biomimétisme), cela va également apporter de la robustesse au dispositif mis en œuvre.