Reconfigurable metasurfaces based on phase change material

Les métasurfaces optiques sont des composants qui permettent l'ingénierie de la lumière par des nanostructures. Elles ont révélé un potentiel considérable pour diverses applications de contrôle de la lumière spectrale et spatiale, permettant ainsi le filtrage, la focalisation de la lumière, la génération d'hologrammes, et les lidars.Le défi actuel de ces plateformes réside dans le fait que leurs propriétés sont figées une fois fabriquées. Cela limite leur potentiel et leur intégration dans des applications nécessitant un contrôle actif des propriétés de la lumière.Les métasurfaces actives sont une solution potentielle à ce problème. Elles permettent le contrôle des fonctionnalités optiques après la fabrication en ajoutant un contrôle externe électrique, optique ou thermique. Plusieurs mécanismes peuvent être utilisés pour le contrôle actif, tels que les cristaux liquides, les actionneurs MEMS, des matériaux électro-optiques, ou encore des matériaux à changement de phase (PCM).En particulier, le trisulfure d'antimoine Sb2S3 est un PCM à faible perte, qui possède des propriétés optiques remarquables pouvant être modulées en changeant de manière réversible la cristallinité du matériau. Il a attiré beaucoup d'attention pour offrir des métasurfaces actives pour le régime visible à proche infrarouge. L'objectif de cette thèse est de répondre à la question de la maturité de ce matériau en termes de nanofabrication et de conception de métasurfaces actives basées sur Sb2S3 et de fournir une démonstration expérimentale de métasurfaces actives basées sur le Sb2S3.Après avoir introduit le concept de métasurfaces et l'état de l'art des PCMs dans le premier chapitre, le deuxième chapitre aborde les défis associés à l'utilisation de Sb2S3 dans les processus de nanofabrication et comment les propriétés d'adhésion améliorées renforcent la stabilité mécanique et chimique et ont permis une nanostructuration réussie en utilisant de nouvelles recettes de lithographie par faisceau d'électrons. La compréhension des propriétés du matériau a permis une nouvelle approche de nanopatterning utilisant la nanoimpression directe, permettant potentiellement une nanostructuration sans produits chimiques, et à faible coût.Le troisième chapitre met en évidence différentes approches de conception pour le contrôle spatial de la lumière, y compris l'accumulation de phase, les métasurfaces de Huygens et la phase de Pancharatnam-Berry. Chaque approche a ses avantages et ses limitations pour son utilisation potentielle dans la conception de métasurfaces actives basées sur les PCMs. Le dernière design est sélectionné pour démontrer des fonctionnalités optiques avancées comme montré pour la cryptographie holographique optique.Dans le quatrième chapitre, des métasurfaces actives basées sur Sb2S3 sont conçues et démontrées expérimentalement, abordant les défis matériaux et les performances optiques. Le chapitre explore deux applications: (i) le filtrage actif développé en utilisant Fabry-Pérot basé sur une cavité active Sb2S3 et des métasurfaces supportant l'état lié dans le continuum (BiC). (ii) La coloration structurelle réalisée par des nanostructures de Sb2S3. Le chapitre discute également des défis des métasurfaces basées sur Sb2S3 à l'état cristallin en termes de (i) difficulté à cristalliser des nanostructures isolées, (ii) et la difficulté à contrôler la croissance de la cristallisation qui conduit à une réponse anisotrope. Une approche de conception est développée pour surmonter ces défis, permettant la cristallisation des nanostructures et le filtrage des cristaux, conduisant à une croissance latérale isotrope des cristaux à l'intérieur de la métasurface. Cette approche permet la démonstration expérimentale de métasurfaces actives supportant des BiC sensibles à la symétrie pour les phases amorphes et cristallines.