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La nanostructuration pour de meilleurs verres composites

Le verre contenant des inclusions de nanoparticules métalliques renforce son potentiel et peut fournir de nouveaux matériaux présentant de nouvelles fonctionnalités. Des chercheurs financés par l'UE ont adopté une approche innovante pour générer une nanostructuration susceptible de produire de nouveaux verres composites.
La nanostructuration pour de meilleurs verres composites
Les nanocomposites verre-métal combinent une multitude d'avantages pour structurer des matériaux innovants dans les domaines de la photonique et de l'optoéléctronique. En plus de leur résonance dans le visible et le proche infrarouge, ils présentent une réponse optique non linéaire très rapide et puissante. Leur compatibilité avec les circuits photoniques et électroniques facilite également leur utilisation dans diverses applications technologiques.

Dans le cadre du projet NANOCOM (Nanostructured composite materials), les chercheurs ont utilisé la nanostructuration de ces composites en verre pour développer des matériaux innovants dans le domaine de la photonique. Leurs travaux incluaient la modélisation, la fabrication et la caractérisation de nanocomposites de structure submicronique, la fabrication de nanocomposites bimétalliques verre-métal et leur modification par des champs électriques.

Les chercheurs ont tout d'abord développé des modèles décrivant les processus chimiques et physiques apparaissant lors de la formation de nanocomposites verre-métal. Ces modèles apportent ainsi une description quantitative de la diffusion réactive des métaux réductibles et des agents réducteurs (hydrogène) dans le verre.

Après avoir réussi à produire des nanocomposites verre-métal en utilisant du cuivre et de l'argent, les chercheurs ont pu observer que les nanoparticules de cuivre se formaient plus près de la surface de la plaque de verre que leurs homologues en argent. Cette propriété permet la conception de structures multicouches dont la périodicité submicronique peut être très utile dans les appareils entièrement optiques.

Tout en démontrant expérimentalement la théorie de dissolution des nanoparticules par un champ électrique (EFAD, pour electric-field assisted dissolution) qui provoque la modification du verre et la nanostructuration du composite, les chercheurs ont également développé des modèles relatifs décrivant le comportement du verre. Leurs travaux ouvrent la voie d'une exploitation du verre dans les composants photoniques et optoélectroniques.

La formation de films isolants métalliques sur la surface de verre a été utilisée pour produire des grilles unidimensionnelles et bidimensionnelles en polarisant le verre avec une électrode nanostructurée de carbone vitreux. Ces résultats pourraient être utiles pour le développement d'appareils de détection et de capteurs plasmoniques. Les chercheurs ont par ailleurs démontré qu'une réponse non linéaire pouvait être obtenue en variant la taille des nanoparticules.

Les membres de l'équipe ont développé trois approches différentes, dont l'EFAD pour la fabrication de composants nanophotoniques verre-métal. Ils ont montré que ces techniques de nanostructuration pouvaient être utilisées pour produire des structures de 150 nm dont le dichroïsme et la biréfringence étaient modulables. Ces techniques ont ensuite été utilisées pour former des grilles de diffraction mono et bidimensionnelles. Les grilles formées par gravure réactive ionique ont démontré leur capacité de contrôle de la réponse non linéaire de la structure. Ce résultat sera probablement utile dans les appareils photoniques et optiques non linéaires qui reposent sur l'absorption saturable (inverse) de certaines plages spectrales.

Les matériaux nanocomposites développés par le projet NANOCOM permettront ainsi d'élargir la fonctionnalité des futurs composants photoniques. Les résultats du projet ont été diffusés par le biais de 36 publications dans des journaux à comité de lecture et lors de 50 conférences internationales.

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Mots-clés

Nanostructuration, nanocomposés verre-métal, photonique, optoélectronique, appareils plasmoniques