Mesures optiques

Pour les applications visées dans cette thèse, les propriétés optiques des matériaux et des structures réalisées sont primordiales. Des mesures optiques ont donc été réalisées sur de nombreux échantillons.

Les deux principales grandeurs mesurées sont le coefficient de réflexion ou réflectivité (R) et le coefficient de transmission (T). Le coefficient d’absorption (A) est calculé à partir des coefficients précédents. Chacun de ces coefficients est défini comme un rapport d’intensité. Ces différents coefficients sont reliés entre eux par la loi suivante :

𝑅 + 𝑇 + 𝐴 = 1 ^(2-35)

Cette loi permet de calculer l’un de ces coefficients en connaissant les deux autres. En pratique, les mesures sont faites sur R et T, et A est obtenu par calcul à partir des deux valeurs mesurées. Ces mesures sont effectuées grâce à un spectrophotomètre, qui permet de mesurer la réflexion et la transmission d’un échantillon en fonction de la longueur d’onde.

Les spectrophotomètres sont en général classés selon leur domaine de longueurs d’onde. On distingue les spectrophotomètres ultraviolet-visible des spectrophotomètres infrarouge. Un spectrophotomètre est composé de plusieurs éléments : une ou plusieurs lampes qui émettent dans un certain domaine de longueurs d’onde, un monochromateur qui diffracte la lumière

d’intégration, qui permet de mesurer toute la lumière transmise ou réfléchie par l’échantillon (spéculaire et diffuse). L’intérieur de la sphère d’intégration est recouvert d’un revêtement spécifique, dont la nature dépend de la gamme spectrale étudiée, qui a pour propriété de réfléchir la lumière de manière diffuse en tous points de la sphère et quelle que soit la direction d’origine du faisceau lumineux. Cela permet de mesurer la réflexion ou transmission spéculaire et diffuse d’un échantillon. Un schéma de sphère intégrante est présenté sur la Figure 2.13.

Figure 2.13 Schéma de fonctionnement du module sphère intégrante du spectrophotomètre UV-visible (Source : Perkin-Elmer).

Dans cette étude, deux spectrophotomètres ont été utilisés, l’un dans le visible et l’ultraviolet (250 nm à 2.5 µm) et le deuxième dans l’infrarouge (2 à 20 µm), pour couvrir la gamme de longueurs d’onde de 250 nm à 20 µm. Ces deux spectrophotomètres sont présentés sur les images de la Figure 2.14.

Figure 2.14 Photographies des deux spectrophotomètres employés dans cette étude : visible à gauche et infrarouge à droite.

Le spectrophotomètre ultraviolet-visible est un modèle Lambda 950 de Perkin Elmer et le spectrophotomètre infrarouge est un modèle Equinox 55 de Brucker. Le raccordement des deux spectres obtenus se fait à 2µm. Ces mesures ont permis de calculer l’absorption et l’émissivité des absorbeurs, grâce aux formules suivantes [12] :

𝛼 = ^∫₀^+∞(1 − 𝑅) ∗ 𝐼_𝑠𝑜𝑙∗ 𝑑𝜆

∫₀^+∞ 𝐼_𝑠𝑜𝑙∗ 𝑑𝜆 ^(2-36)

𝜀 = ^∫₀^+∞(1 − 𝑅) ∗ 𝐼_𝜆∗ 𝑑𝜆

∫₀^+∞ 𝐼_𝜆∗ 𝑑𝜆 ^(2-37)

où α est l’absorption, ε est l’émissivité, R la réflectivité, λ la longueur d’onde, Isol l’énergie solaire en fonction de la longueur d’onde et Iλ l’énergie émise par le corps noir en fonction de la longueur d’onde pour une température donnée. Pour ces calculs, une température de 650°C a été choisie et a été utilisée pour les tests de vieillissement. Pour illustration, la Figure 2.15 présente le spectre solaire AM 1.5, le spectre d’émission d’un corps noir à 650°C et un spectre de réflectivité mesuré sur un absorbeur avec un réflecteur infrarouge en platine.

Figure 2.15 Spectre solaire AM 1.5, spectre d’émissivité du corps noir à 650°C et spectre de réflectivité mesuré sur un absorbeur avec réflecteur infrarouge en platine.

Avant toute mesure, les spectrophotomètres sont calibrés par la mesure d’un échantillon de référence. Dans le cas du spectrophotomètre visible, cette référence est en Spectralon®, un polymère extrêmement diffusant qui sert aussi de revêtement intérieur pour les sphères intégrantes. Pour la mesure dans l’infrarouge, la référence est une surface diffusante, recouverte d’or. Cette différence de calibration pourrait induire un léger décalage entre les mesures sur le spectrophotomètre visible et infrarouge.

2.4 Vieillissement

Des tests de vieillissement ont été réalisés sous air, dans un four Nabertherm model LH 15/14, qui ne permet pas de travailler sous atmosphère contrôlée, mais peut monter à des températures de 1400°C sur des durées de plusieurs heures.

La température de fonctionnement visée pour les absorbeurs étant de 650°C, c’est cette température qui a été fixée pour les tests de vieillissement. Ces vieillissements ont été réalisés sous air, pour s’approcher au plus des conditions d’utilisation réelles des absorbeurs. Un premier vieillissement de 5 min a été réalisé, pour tester l’effet de la montée en température. Des mesures optiques ont été réalisées après ce vieillissement pour étudier les changements provoqués par le vieillissement. Un nouveau test de vieillissement avec un pallier de 10 h a été réalisé et suivi d’une mesure optique. Les échantillons ont ensuite été vieillis 40 h, pour

atteindre un total de 50 h à 650°C et de nouvelles mesures optiques ont été réalisées. Les échantillons ont ensuite subi des vieillissements de 50 h, entrecoupés de mesures optiques, jusqu’à atteindre un temps de vieillissement total de 300 h. La Figure 2.16 montre le four Nabertherm utilisé pour ces tests de vieillissement.

3 Chapitre 3 : Développement du procédé de dépôt et

caractérisation des couches unitaires

Le de po t de structures multicouches pour des applications optiques demande un tre s bon contro le des e paisseurs et donc du proce de de de po t. C’est particulie rement le cas pour les couches de platine, qui devront avoir des e paisseurs de quelques nanome tres a une dizaine de nanome tres. Des proce de s de de po t spe cifiques ont du e tre de veloppe s pour l’alumine et le platine. La mise au point de chacun de ces proce de s est de crite dans ce chapitre.

Des mesures optiques et des analyses de la microstructure et de la morphologie des couches ont e te mene es pour s’assurer de la compatibilite des couches obtenues avec l’application a des absorbeurs se lectifs. L’impact du proce de de de po t se quentiel sur les diffe rentes couches a e te e tudie .

Les de po ts obtenus ont e te soumis a un vieillissement de 10 h a 650°C sous air, pour s’assurer de leur stabilite en tempe rature.

Ce chapitre traitera dans un premier temps du de veloppement du proce de de de po t de