Synthesis and characterization of nanostructured surfaces displaying unusual visual effects

Synthèse et caractérisation de surfaces nanostructurées aux effets visuels inédits Les magnifiques couleurs des ailes de papillons et des plumes de certains oiseaux sont liées à l’interaction de la lumière avec la structure du matériau à l’échelle nano- ou micrométrique. Ces effets ont inspiré de nombreux travaux pour explorer des phénomènes visuels inhabituels, voire complètement nouveaux.Dans ce projet de thèse, nous avons examiné des approches pour fabriquer des nanomatériaux présentant une surface structurée afin de concevoir des apparences visuelles inédites. Des simulations numériques récentes ont démontré comment des monocouches de nanoparticules électromagnétiques déposées sur un substrat stratifié pouvaient produire des phénomènes optiques inattendus. Nous avons démontré expérimentalement ces effets visuels exotiques sur des surfaces nanostructurées complexes. Des échantillons macroscopiques (de l’ordre de quelques cm2) ont été synthétisés par voie bottom-up (synthèse colloïdale et autoassemblage de particules sur un substrat), caractérisés par des mesures de réflectance grâce à un montage de gonio-spectrophotomètre, et comparés aux simulations électromagnétiques.Les études ont d’abord été menées sur des surfaces composées d’un ensemble désordonné de nanocubes d’argent d’environ 100 nm, déposés sur un substrat réfléchissant revêtu d’un film mince de silice. Ces surfaces nanostructurées produisent des couleurs iridescentes très vives. Leurs propriétés optiques sont dues aux résonances multipolaires des nanoparticules individuelles, à leur interaction avec le substrat stratifié, et à leurs interactions mutuelles. Ces phénomènes se traduisent, à l’échelle macroscopique, par des couleurs inédites en fonction de l’angle de vue et la position de la source lumineuse. Ce phénomène d’iridescence diffuse, est très différent de l’iridescence spéculaire classique, observée pour des couches interférentielles. Nous avons examiné l’effet des variations de l’épaisseur de la couche diélectrique ou de la densité de résonateurs sur ces propriétés optiques. L’épaisseur du revêtement diélectrique influence la palette de couleur observée à l’œil nu ; la densité de résonateurs affecte la brillance du revêtement. Les effets sont peu sensibles aux défauts de fabrication (tels que la dispersité en taille et forme des résonateurs). Un effet d’iridescence bicolore original a été observé pour des surfaces recouvertes d’un revêtement de silice d’une épaisseur de 600 nm. Les résultats sont en bon accord avec les prédictions numériques et permettent de mieux comprendre les paramètres clefs qui engendrent ces effets visuels à l’échelle macroscopique.Des études préliminaires ont également été menées sur une surface nanostructurée composée d’un ensemble désordonné de résonateurs d’indice plus élevé (silicium) sur un substrat réfléchissant. Ces particules possédant des résonances très fines spectralement permettrait de concevoir des revêtements noirs lors de l’observation à la normale de la surface et colorés aux grands angles.Sur le long terme, ces surfaces nanostructurées complexes aux effets visuels inhabituels ont le potentiel d’impacter des domaines aussi variés que les arts appliqués, l’impression de sécurité et la réalité augmentée.