Créer des structures de lustre

3.4.1 La co-pulvérisation cathodique

Pour réaliser les échantillons, nous avons utilisé une technique bien connue de l'équipe : la co-pulvérisation cathodique radiofréquence (gures 3.14 et 3.15).

Dans une enceinte à vide, on injecte de l'argon (Ar) à une pression basse (1.33 Pa). Une tension est appliquée entre la cathode qui porte la cible et l'anode qui porte les substrats. Les électrons qui sont éjectés de la cathode ionisent le gaz d'argon. Les ions Ar+ sont accélérés vers la cathode et en frappant la cible, ils arrachent des atomes de silicium, d'oxygène et d'argent.

Ces atomes éjectés viennent se déposer sur les substrats tournant au dessus de la cible. Cette rotation fait passer les substrats successivement au-dessus de la silice et des triangles d'argent. Le dépôt d'argent n'est donc pas continu et permet la formation de nanoparticules incluses dans une matrice de silice.

La tension appliquée entre les électrodes a une fréquence de 13,5 MHz. La cible de silice est un disque de 13 cm de diamètre. Les substrats sont des lames de verre Corning glass 1737. Elles ont une dimension de 2x3 cm et sont placées à une distance de 4 cm de la cible.

3.4.2 Les échantillons réalisés

La gure 3.16 présente des images d'un échantillon réalisé par co-pulvérisation. Les essais déjà réalisés dans l'équipe nous permettent de maîtriser les paramètres essentiels : fraction volumique et épaisseur de la couche. Pour cet échantillon, deux

Fig. 3.14  Photographie du dispositif expérimental

triangles d'argent ont été placés sur la cible de silice ce qui entraîne une fraction volumique d'argent de 10% dans la couche. La durée de la pulvérisation a été choisie an d'obtenir une couche de 150 nm.

(a) Dans la direction spéculaire (b) En direction diuse

Fig. 3.16  Images de l'échantillon 1 réalisé par la technique de co-pulvérisation Des mesures réalisées au prolomètre viennent conrmer que l'épaisseur de la couche est de 150 nm du coté rouge (en haut) de l'échantillon et qu'elle atteint 170 nm du coté violet (en bas). Le seul paramètre non déni par des mesures est le rayon des particules. Des images de microscopie électronique réalisées sur des échantillons produits avec le même équipement font apparaître des particules dont le rayon varie entre 5 et 10 nm.

La gure 3.17 présente des photographies de deux autres échantillons réalisés avec cette technique.

(a) Echantillon 2 (b) Echantillon 3

Fig. 3.17  Images d'échantillons, réalisés par la technique de co-pulvérisation, en réexion spéculaire

3.4.3 Mesures et comparaisons

Des mesures ont été eectuées avec le spectrophotomètre Cary 5 sur l'échan-tillon 1 présenté gure 3.16.

Fig. 3.18  Spectre mesuré sur l'échantillon 1 et les spectres simulés associés Sur la gure 3.18, deux spectres simulés sont comparés au spectre mesuré sur l'échantillon à l'endroit où l'épaisseur de la couche est de 150 nm. Ces deux spectres sont réalisés en utilisant les mêmes paramètres :

 une épaisseur de couche de 150 nm ;  une fraction volumique d'argent de 10% ;

 une matrice de silice dont l'indice est référencé ;  un rayon des particules de 7 nm ;

 un substrat d'indice 1,5.

La seule diérence vient du modèle de milieu eectif utilisé : Maxwell Gar-nett dans le premier cas et Bruggeman dans le second. La comparaison entre le spectre mesuré et les spectres simulés conrme que le modèle de Maxwell Gar-nett est celui qui fournit le meilleur accord avec la mesure. Il est donc celui qui convient le mieux pour calculer l'indice optique des couches hétérogènes présentes dans la structure des lustres et sera désormais le seul utilisé dans les simulations. Cette expérience vient par ailleurs conrmer la capacité du modèle développé à simuler les propriétés optiques de structures multicouches.

Fig. 3.19  Spectres mesurés sur l'échantillon 1 et les spectres simulés associés Le modèle peut alors être utilisé pour expliquer des variations de couleur sur les échantillons. Dans le cas de l'échantillon 1, nous avons vu que l'épaisseur de la couche évolue de haut en bas (du rouge vers le violet) passant de 150 nm à 170 nm. La gure 3.19 présentent les spectres mesurés sur le bord haut, le centre et le bord bas et compare ces mesures à des simulations réalisées pour des épaisseurs de couche diérentes, les autres paramètres restant constants.

L'adéquation entre les mesures et les simulations montre que la variation de l'épaisseur de la couche, à l'origine d'une variation dans la longueur d'onde du minimum autour de 600 nm (équation 2.24), est bien la cause de la variation de couleur observée.

Sur la gure 3.20, on peut voir un autre exemple de convergence entre me-sure et simulation. Il s'agit d'une meme-sure eectuée au goniospectrophotomètre sur l'échantillon 2 présenté gure 3.17(a). Cet échantillon est identique au précédent à l'origine (une couche de 150 nm contenant de l'argent) puis il est recouvert d'une couche de silice de 50 nm. Sa structure est donc similaire à celle présenté gure 3.1. En comparant les photos et les spectres des échantillons 1 et 2, il apparaît clairement que la couche supercielle a une forte importance sur la couleur nale de la structure.

Fig. 3.20  Spectre mesuré sur l'échantillon 2 et le spectre simulé associé prévue était de 250 nm. Les conditions de dépôt n'étant pas similaires en tout point de l'échantillon, l'épaisseur de la couche fabriquée varie entre 190 nm (partie bleue) et 400 nm (partie rouge). Dans ce cas, la variation d'épaisseur ne permet pas d'expliquer en totalité la variation de couleur. La concentration en métal évolue elle aussi d'une zone à une autre.

Cependant, cet échantillon illustre un point essentiel : il est possible d'obtenir une vaste gamme de couleurs avec une structure qui ne contient que de l'argent.

Maintenant que le modèle est validé, il reste à montrer qu'il peut être utilisé pour simuler les propriétés optiques des céramiques lustrées.

3.5 Comparaison entre mesures sur les lustres et