Soutenance de thèse de MESKINI Oumaima
Titre de thèse
Matériaux à changement de phase combinés à des métasurfaces préparées par lithographie par nano-impression pour de nouvelles optiques accordables à grande échelle.
Phase Change Materials combined with NIL-prepared metasurfaces for large scale tunable photonic applications
Résumé de la thèse
Le développement de métasurfaces reconfigurables constitue un enjeu majeur de la photonique moderne, en raison de leur capacité à contrôler localement la phase, l'amplitude et la polarisation de la lumière au sein de dispositifs ultraplats. Cependant, la majorité des métasurfaces à matériaux à changement de phase (PCM) rapportées dans la littérature sont réalisées par lithographie par faisceau d'électrons, une technologie coûteuse et limitée à des surfaces de quelques millimètres carrés, freinant leur transfert vers des applications de grande surface.
L'objectif de cette thèse est de développer une stratégie de fabrication alternative permettant la réalisation de métasurfaces reconfigurables sur des surfaces centimétriques, compatibles avec une fabrication à faible coût et à haut débit. L'approche proposée repose sur la lithographie par nano-impression « souple » (soft-NIL), associée à des couches diélectriques élaborées par voie sol-gel et à des matériaux à changement de phase déposés par pulvérisation cathodique.
Deux stratégies de fabrication ont été développées pour le GeTe, utilisant la nano-impression comme gabarit de structuration ou comme masque de gravure. Les deux approches ont permis de démontrer la réalisation de métasurfaces reconfigurables présentant des performances optiques compétitives sur des surfaces de l'ordre du centimètre carré. La structuration par gravure ionique réactive au travers d'un masque de SiO2 nano-imprimé s'est révélée la plus robuste et la plus reproductible. La commutation réversible des méta-atomes de GeTe par impulsions laser a également été démontrée, validant la possibilité d'une reconfiguration optique locale sans dégradation des nanostructures.
Au-delà de cette démonstration, les travaux ont été étendus au Sb2S3, pour lequel un procédé spécifique de gravure par plasma à couplage inductif (ICP) a été développé, ainsi qu'à l'étude numérique de nouvelles architectures de métasurfaces et de couleurs structurales reconfigurables utilisant le GeTe, le Sb2S3 et le VO2. Ces résultats montrent que la plateforme technologique développée est générique et peut être adaptée à différents matériaux à changement de phase ainsi qu'à diverses architectures photoniques.
Cette thèse démontre ainsi qu'il est possible de concilier performances optiques, simplicité de fabrication et réalisation de métasurfaces reconfigurables sur de grandes surfaces. Elle ouvre la voie au développement de dispositifs photoniques programmables compatibles avec une fabrication à grande échelle, pour des applications telles que les métalentilles accordables, les filtres spectraux reconfigurables, les couleurs structurales actives et l'imagerie multispectrale.
Thesis resume
The development of reconfigurable metasurfaces has emerged as a major challenge in modern photonics owing to their ability to locally manipulate the phase, amplitude, and polarization of light within ultrathin optical components. However, most phase-change material (PCM)-based metasurfaces reported to date rely on electron beam lithography, a costly fabrication technique limited to areas of only a few square millimeters, which significantly hinders their large-scale implementation.
The objective of this PhD work was to develop an alternative fabrication strategy enabling the realization of large-area reconfigurable metasurfaces through a scalable and cost-effective process. The proposed approach combines soft nanoimprint lithography (soft-NIL), sol-gel-derived dielectric materials, and sputter-deposited phase-change materials.
Two complementary fabrication strategies were developed for GeTe-based metasurfaces, using the nanoimprinted dielectric layer either as a template or as an etching mask. Both approaches successfully demonstrated centimeter-scale reconfigurable metasurfaces exhibiting competitive optical performances. Among them, the reactive ion etching (RIE) process using a nanoimprinted SiO2 mask proved to be the most robust and reproducible fabrication route. In addition, reversible laser-induced switching of individual GeTe meta-atoms was experimentally demonstrated without degradation of the nanostructures, validating the feasibility of dynamic optical reconfiguration.
Beyond this proof of concept, the proposed fabrication platform was extended to Sb2S3, for which a dedicated inductively coupled plasma (ICP) etching process was developed. Numerical investigations were also carried out on reconfigurable structural colors and alternative metasurface architectures using GeTe, Sb2S3, and VO2, demonstrating the versatility of the proposed approach and its applicability to different phase-change materials and photonic functionalities.
Overall, this work demonstrates that high-performance reconfigurable metasurfaces can be fabricated over centimeter-scale areas using a simple, scalable, and low-cost process. By partially overcoming the conventional trade-off between optical performance and manufacturability, the proposed platform paves the way toward large-area programmable photonic devices for applications including tunable metalenses, reconfigurable spectral filters, active structural colors, and multispectral imaging.