CE42 - Capteurs, instrumentation

Imagerie opto-acousto-optique in situ tridimensionnelle de transformations de matériaux à l’échelle nanométrique – I2T2M

Caractérisation tout optique de matériaux par impulsions acoustiques cohérente

Dans la technique d'imagerie opto-acousto-optique appelée diffusion Brillouin dans le domaine temporel (TDBS), les phonons thermiques interagissant avec la lumière dans la diffusion Brillouin (BS) classique (domaine fréquentiel) sont remplacés par des impulsions acoustiques cohérentes hypersonores générées par laser. Les paramètres de matériaux peuvent ainsi être mesurés non sur le volume où la lumière est focalisée (BS), mais sur celui, bien plus petit, occupé par l’impulsion acoustique (TDBS).

Développement de nouvelles solutions pour l’imagerie hypersonore in situ 3D de diverses transformations de matériaux à l'échelle nanométrique par TDBS

Dans les matériaux optiquement transparents, la diffusion de Brillouin dans le domaine temporel (TDBS) [1,2] permet d'imager les inhomogénéités de matériau traversées par une impulsion acoustique [Fig. (a)] avec une résolution spatiale nanométrique le long de son trajet. En 2009, les premières applications expérimentales de cette technique ont été rapportées pour le profilage en épaisseur : de matériaux nanoporeux en France [3] et de semi-conducteurs irradiés aux ions aux USA [4]. Suite aux premiers travaux [3,5], la technique TDBS a été utilisée pour : imager en 2D des milieux non homogènes à l'état stationnaire [Fig. (b)] [6,7] et le mouvement d’un front de transformation de phase photo-induite [Fig. (c)] [8] ; déterminer l’évolution des modules élastiques monocristallins de la glace d’eau polycristalline comprimée à des hautes pressions atteignant jusqu’à 82 GPa [9]. <br />Dans ce projet, nous proposons d’appliquer pour la première fois la technique TDBS pour l’imagerie 3D et l’analyse de processus transitoires dans divers matériaux. Cela nécessite de multiples développements méthodologiques permettant notamment une amélioration drastique du taux d'acquisition des données. Les mesures doivent en effet être enregistrées dans plusieurs positions spatiales, pour plusieurs paramètres différents de leur déclenchement (tels que la température, la pression ou le flux de rayonnement UV) et doivent être résolues dans le temps. <br />[1] H. T. Graham et al., IEEE J. Quantum Electron. 25, 2562 (1989). [2] V. E. Gusev and P. Ruello, Appl. Phys. Rev. 5, 031101 (2018). [3] C. Mechri et al., Appl. Phys. Lett. 95, 091907 (2009). [4] A. Steigerwald et al., Appl. Phys. Lett. 94, 111910 (2009). [5] A. M. Lomonosov et al., ACS Nano 6, 1410 (2012). [6] S. M. Nikitin et al., Sci. Rep. 5, 9352 (2015); Faits marquants CNRS (2015). [7] M. Kuriakose et al., Ultrasonics 69, 201 (2016). [8] M. Kuriakose et al., New J. Phys. 19, 053206 (2017). [9] M. Kuriakose et al., Phys. Rev. B 96, 134122 (2017).

Pour accélérer l’acquisition des données, nous allons appliquer pour la première fois la technique d’échantillonnage optique asynchrone (ASOPS, acronyme anglaise pour ASynchronous OPtical Sampling) à l’imagerie 3D de phénomènes transitoires par la technique pompe-sonde TDBS. Avec un ASOPS, le décalage de la fréquence de répétition de deux lasers permet d’augmenter le délai entre les impulsions pompe et sonde de façon progressive, décalage qui est donc obtenu beaucoup plus rapidement qu’avec une ligne à retard mécanique. Toujours dans le but d’accélérer le taux d’acquisition des données, nous allons également appliquer pour la première fois l’interférométrie optique ultra-rapide en imagerie TDBS. En effet, une technique interférométrique pour la détection devrait permettre de séparer l'amplitude et la phase des signaux TDBS et d'accéder ainsi, à partir d’une seule acquisition, à des mesures indépendantes et quantitatives d'un plus grand nombre de paramètres matériels que lors d’une détection par la technique de réflectométrie, classiquement utilisée en imagerie TDBS. On peut donc considérer que l’acquisition sera plus rapide puisque qu’on peut en diminuer le nombre.

A ce jour (t0+3 du projet), nous n’avons pas encore de résultat à communiquer. Nous mettrons à jour cette section tout au long du déroulement du projet, après publications des résultats.

La réalisation de notre proposition promouvra la technique TDBS et son utilisation grâce aux améliorations apportées à sa mise en oeuvre expérimentale permettant l'imagerie 3D in situ de phénomènes transitoires à une échelle sub-micrométrique, voire nanométrique, et par sa commercialisation. Notre réussite fournira également des informations sans précédent à des problématiques universitaires et industrielles qui ne pourraient être résolues autrement que par l’utilisation de cette technique. De manière plus générale, nos recherches et leurs résultats devraient permettre d’accélérer la tendance de remplacement de la technique classique BS par la technique TDBS, du moins dans la plupart des applications de la diffusion Brillouin où une résolution nanométrique est avantageuse ou nécessaire.

Nous allons publier quelques articles dans des revues scientifiques internationales à comité de lecture à accès libre afin de partager nos résultats avec la communauté scientifique internationale. Sur la base de l’expertise en matière de brevets des parte

L'objectif est de développer, pour la première fois, une imagerie in-situ rapide et tridimensionnelle (3D) des transformations spatiotemporelles de matériaux à l'échelle nanométrique en améliorant la technique existante de diffusion Brillouin résolue en temps (TDBS). La TDBS utilise des lasers ultra-rapides à haut taux de répétition pour l’émission et la détection d’impulsions acoustiques cohérentes (CAP) de longueurs nanométriques. Dans les matériaux transparents, les CAP peuvent être détectées tout au long de leur parcours, fournissant ainsi des informations sur les propriétés des matériaux en tout point du parcours. Cette imagerie avec une résolution de 10-100 nm dans la direction de propagation des CAP dépasse considérablement la microscopie classique à diffusion Brillouin dans le domaine fréquentiel (FDBS) dont la résolution en profondeur ne dépasse pas 10 µm. La TDBS a déjà été appliquée pour l'imagerie de distributions stationnaires de paramètres acoustiques, optiques et acousto-optiques dans des films nanoporeux inhomogènes, des semi-conducteurs/diélectriques soumis à une implantation/dégradation ionique, des agrégats polycristallins texturés et des cellules biologiques.
Dans ce projet, la TDBS 3D sera appliquée pour la première fois à l'imagerie des transformations d’échantillons spatialement inhomogènes. Cet objectif nécessitera l'application à la TDBS de l'échantillonnage optique asynchrone (ASOPS). L'ASOPS permet d'obtenir un balayage de 20 ns 104 fois plus rapide que lorsque le décalage temporel entre les impulsions laser pompe et sonde est réalisé mécaniquement. L’ASOPS est un moyen d'imagerie 3D résolu en temps de processus transitoires induits par différentes actions externes (chargement mécanique, température, flux de rayonnement). Le système ASOPS de la société NETA, initialement conçu pour imager en 2D des paramètres moyennés sur l’épaisseur de couches opaques (couches métalliques en microélectronique), sera amélioré vers l’imagerie 3D de milieux transparents via le développement de méthodes interférométriques/polarimétriques (afin d’obtenir indépendamment un plus grand nombre de propriétés matérielles qu'avec la réflectométrie usuelle) et de méthodes avancées de traitement du signal (pour améliorer la résolution spatiale).
Les objectifs scientifiques sont d'imager en temps réel et in-situ et de caractériser quantitativement : (1) la polycristallisation d’un monocristal et le fluage induits par un chargement, (2) la formation induite par rayonnement ou pression d'un polymère biocompatible à partir d’un monomère, et (3) la formation de l'interface adhésive entre métal et résine époxy pendant son durcissement.
L'avancement des connaissances sur la polycristallisation d’un monocristal sous forte charge mécanique est d'une extrême importance pour la physique de la matière condensée, la planétologie et la prévision des conséquences des séismes. La compréhension de la polymérisation induite par pression favorisera son application pour la production industrielle d'objets biocompatibles. L'évaluation des paramètres des interfaces métal/époxy à l'échelle nanométrique, notamment des échantillons industriels de la société SAFRAN, ouvrirait de nouvelles pistes pour l'amélioration des performances techniques des colles/peintures adhésives dans de multiples applications, notamment aéronautiques/automobiles. Plus généralement, notre recherche accélèrera les progrès de la TDBS pour l’imagerie et la tendance au remplacement de la FDBS par la TDBS dans de nombreuses autres applications.
Nos méthodes innovantes, après industrialisation par NETA, étendront les capacités de leur produit clés en main à l’imagerie de nouveaux matériaux/structures (polymères/monomères, résines époxy, composites, empilements 3D en microélectronique, écrans organiques à diodes électroluminescentes (OLED)) et ouvriront des marchés supplémentaires, notamment ceux de l'aéronautique et de l'OLED.

Coordinateur du projet

Monsieur Vitali Goussev (LABORATOIRE D'ACOUSTIQUE DE L'UNIVERSITE DU MAINE)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

NETA
LAUM LABORATOIRE D'ACOUSTIQUE DE L'UNIVERSITE DU MAINE
IMMM INSTITUT DES MOLÉCULES ET MATÉRIAUX DU MANS
LSPM Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux
SAFRAN SA

Aide de l'ANR 390 708 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2019 - 48 Mois

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