Influence de la température de poling

Les résultats des paragraphes III.1 à III.4 ont tous été obtenus avec la même lame de verre, traitée par poling thermique à 500°C sous 400 V. Le faible nombre de lames de verre dopées au cobalt ne m’a, en effet, pas autorisée un grand nombre d’essais. J’ai néanmoins pu analyser l’influence de la température du poling thermique sur la réponse du verre à l’insolation laser à 244 nm. Les résultats sont présentés dans ce paragraphe.

III.5.1. Analyse par microscopie optique

La Figure 91 montre les images de microscopie optique en réflexion des réseaux de traits insolés sur trois échantillons traités par poling thermique pour trois températures différentes 300, 400 et 500°C (à 400 V). Les conditions d’insolation laser sont identiques pour les trois images : vitesse de déplacement 400 µm/s, puissance 80 mW et décalage entre 2 traits consécutifs 10 µm.

Figure 91 : images optiques en réflexion de séries de traits insolés (80 mW, décalage 10 µm et v = 400 µm/s) sur un verre traité par poling thermique (400 V) à différentes températures : a) 300°C, b) 400°C et c) 500°C La coloration des zones insolées dépend fortement de la température de poling : la coloration évolue depuis le marron jusqu’au bleu au fur et à mesure que la température de poling augmente : la coloration bleue est due à la formation de CoO alors que la dégradation de cette teinte provient de la formation progressive d’une phase Co3O4 [23]. La largeur des traits insolés diminue nettement avec l’augmentation de la température de recuit, puisqu’elle passe de 18 à 8 µm. Comme les conditions d’insolation laser sont identiques pour les trois lames, la température photo-induite ne joue cette fois aucun rôle dans ce rétrécissement de la largeur des traits laser. Par conséquent, il est possible que le rétrécissement témoigne d’une plus grande stabilité du verre traité par poling thermique à 500°C, par rapport à ceux traités à plus faible température, la zone affectée par le laser à 244 nm se réduisant à la zone centrale du laser. Cette analyse est cependant uniquement qualitative et d’autres caractérisations sont requises pour la confirmer.

III.5.2. Analyse MEB

La Figure 92 présente les images MEB du centre des traits insolés pour les trois températures de poling (les traits correspondent à ceux de la Figure 91). La puissance d’insolation (80 mW) permet une insolation modérée du verre, de façon à observer l’évolution progressive de la surface insolée. Les clichés sont très voisins pour des températures de 300 et 400°C, avec une structure du verre qui montre des ῝micro-îlots῝ non homogènes, caractéristiques d’un phénomène de ségrégation (séparation de phase) à la surface du verre. La séparation de phase semble moins avancée pour l’échantillon traité à 400°C, les ῝micro-îlots῝ étant de dimensions plus petites. Quand la température de poling atteint 500°C, la séparation de phase est encore plus avancée et la surface du verre est très voisine de celle observée dans une zone non insolée (Figure 83 b)), elle présente des nano-grains denses à la surface. Signalons que le phénomène de séparation de phase a déjà été observé dans des verres de silice traités par poling thermique [28]. Une analyse détaillée de ce phénomène est cependant en dehors des objectifs de ce chapitre. La principale conclusion de cette analyse MEB est que la lame de verre traitée par poling thermique à 500°C est moins sensible à une insolation laser modérée (80 mW) que

Figure 92 : images MEB de la zone centrale des traits insolés (80 mW, décalage 10 µm et v = 400 µm/s) sur un verre traité par poling thermique (400 V) à différentes températures : a) 300°C, b) 400°C et c) 500°C La Figure 93 présente les images MEB du centre des traits insolés à 100 mW, pour les trois températures de poling. Les trois images MEB sont quasi-identiques entre elles et montrent des nanoparticules de diamètre variant entre 100 et 400 nm environ. La puissance d’insolation est donc suffisamment élevée pour permettre la nucléation des nanoparticules, quelle que soit la température de poling utilisée au préalable.

Figure 93 : images MEB de la zone centrale des traits insolés (100 mW, décalage 10 µm et v = 400 µm/s) sur un verre traité par poling thermique (400 V) à différentes températures : a) 300°C, b) 400°C et c) 500°C L’influence de la température de poling sur la zone insolée est manifeste tant que la puissance d’insolation reste faible, la séparation de phase observée à la surface du verre n’est que partielle. Elle devient complète quand cette puissance augmente, avec la formation de nanoparticules, et l’influence de la température de poling devient alors négligeable.

III.5.3. Spectroscopie d’absorption

Comme indiqué précédemment, j’ai inscrit des réseaux de traits parallèles (Figure 91) et contigus avec deux puissances d’insolation (80 et 100 mW), dans des lames de verre traitées à différentes températures de poling. J’ai ensuite mesuré l’absorption à travers ces réseaux, les Figure 94 et 94 montrent les spectres obtenus.

La Figure 94 présente les spectres d’absorption à travers les trois réseaux insolés avec la plus faible puissance (80 mW). Les spectres obtenus avec les températures de poling les plus élevées (400 et 500°C) sont identiques à ceux mesurés dans un verre non insolé et typiques de la formation de l’oxyde de spinelle Co3O4 (Figure 84) : l’insolation laser n’affecte donc quasiment pas le verre. Le cliché MEB de la Figure 91 b) (température de poling de 400°C) montre cependant une altération de la surface après insolation, ce qui semble contradictoire avec l’invariance du spectre d’absorption. Il est probable que la zone traitée par poling thermique ne soit pas modifiée en profondeur, les effets de l’insolation sont donc limités à la surface du verre, ce qui ne permet pas de modifier le spectre d’absorption. Pour la température de poling de 300°C, le spectre d’absorption est caractéristique de la formation de l’oxyde de cobalt CoO (Figure 90). Ces résultats confirment ceux des paragraphes III.5.1 et III.5.2, la stabilité du verre traité par poling thermique à 300°C est plus petite que celle des verres traités à plus haute température.

Figure 94 : spectres d’absorption mesurés à travers un réseau de traits parallèles insolés à une puissance de 80 mW pour des échantillons traités par poling thermique (400 V) à différentes températures (300, 400 et

500°C)

La Figure 95 présente les spectres d’absorption à travers les trois réseaux insolés avec la plus forte puissance (100 mW). Les bandes d’absorption sont identiques pour les trois spectres, ce qui confirme que la température de poling n’exerce plus d’influence quand la puissance d’insolation est suffisante. Les spectres sont caractéristiques de la formation de la phase oxydée CoO, favorisée par la haute température atteinte. Des résultats similaires ont été obtenus à une puissance de 120 mW.

Figure 95 : spectres d’absorption mesurés à travers un réseau de traits parallèles insolés avec une puissance de 100 mW pour des échantillons traités par poling thermique (400 V) à différentes températures (300, 400 et

500°C)

Les paragraphes I, II et III m’ont permis de montrer l’efficacité du couplage du poling thermique et de l’insolation laser à 244 nm pour faire croitre des nanoparticules d’oxyde de cobalt à la surface des lames de verre. A travers les différentes caractérisations effectuées, j’ai mis en évidence que deux phases oxydées du cobalt peuvent exister : la structure de spinelle Co3O4 et la structure CoO. La formation de l’une ou de l’autre de ces phases dépend essentiellement de la température atteinte pendant l’insolation, une température élevée favorisant la forme CoO. Le manque d’échantillons et de temps consacrés à cette étude ne m’a pas permis d’aborder de possibles applications de ces verres, en particulier d’étudier leurs propriétés magnétiques. Il est bien établi que l’oxyde Co3O4 possède des propriétés anti-ferromagnétiques plus importantes que celles de la phase oxydée CoO [29]. Mon travail constitue une première étape vers le développement d’applications basées sur l’effet magnétique puisqu’ il a permis de définir les conditions expérimentales favorables à la formation de Co3O4.