Soutenance de thèse de Riley SHURVINTON

Compte tenu du rôle majeur de la vue pour l’homme, la couleur joue un rôle important dans notre vie. Le contrôle des couleurs et la génération de nouveaux effets associés ont des applications évidentes pour l'art, le design et les produits commerciaux, mais peuvent également avoir des applications plus techniques, comme les dispositifs d’affichage, les éléments de sécurité sur les documents imprimés et l'écriture d'informations à l'échelle microscopique. Les composants à base de couches minces constituent une voie prometteuse pour le contrôle des couleurs. Ceux-ci peuvent être utilisés pour adapter précisément la réflexion ou la transmission d'une surface afin de générer des couleurs à haute saturation et contrôlées avec précision. Ils permettent également de produire des effets uniques tels que l'iridescence angulaire ou des changements de couleur "actif" exploitant le changement d'indice de réfraction des matériaux à changement de phase. Un empilement de quatre couches utilisant Ag, SiO2 et Ti est présenté pour le contrôle de la couleur et la génération de couleurs à haute saturation et luminance. Une caractérisation a été effectuée pour ces trois matériaux, avec une attention particulière pour la couche semi-transparente de Ti. Pour cela, nous avons utilisé une méthode basée sur la génération d’interférences et l'avons ajustée à un modèle d'indice de réfraction combiné Forouhi-Bloomer et Drude modifié (FB-MD). Nous avons obtenu la dispersion d’indice de réfraction de couches minces de Ti sur une plage de longueurs d'onde de 370 à 835 nm pour des couches de 6 à 100 nm d'épaisseur. Des revêtements de couleur rouge/vert/bleu et cyan/magenta/jaune ont été conçus à partir de ces matériaux. Nous avons exploré les limites théoriques et expérimentales des revêtements simples à quatre couches (métal/diélectrique/métal/diélectrique) en termes de luminance et de chroma, et avons montré des performances proches ou supérieures aux limites des couleurs de peintures connues. Dans les expériences, les traitements multicouches déposés (fabriqués par dépôt par faisceau d'électrons) ont montré un accord très proche avec les résultats simulés, démontrant une caractérisation précise des couches minces. Des paires de traitement métamériques ont été démontrées à la fois à une incidence normale et oblique, montrant un comportement étroitement contrôlé des traitements à différents angles d'incidence. En outre, la possibilité d'utiliser des matériaux actifs avec un changement d'indice exploitable a été étudiée. Les conceptions de traitements utilisant GeSbTe (GST) et Sb2S3 ont été comparées. Il a été démontré que le Sb2S3 possède des propriétés supérieures pour la conception de revêtements à variation de couleur, et peut être utilisé dans différentes configurations pour créer différents effets, permettant un large décalage de teinte avec la possibilité de définir une large gamme intermédiaire pour une large gamme de couleurs. Dans les expériences, un très bon accord a été démontré entre les résultats simulés et mesurés des empilements déposés.

As a largely visual species, colour plays an important role in our lives. The implications of colour control have obvious applications for art, design and commercial products, but may also have more technical applications, such as display filters, security features on printed documents, and microscale image writing. One promising avenue for colour control is via thin film coatings. These can be used to precisely tailor the reflectance or transmittance of a surface to generate precisely-controlled, high-chroma colours. They could also enable unique effects such as angle-dependent iridescence, or ‘active’ colour-shift coatings exploiting the refractive index change of phase-change materials. A four-layer stack using Ag, SiO2 and Ti is demonstrated for colour control and generation of high-chroma colours. Characterisation was performed for these three materials, with particular focus on the semi-transparent Ti layer. For this, we used an interference enhancement method and fit against a combined Forouhi-Bloomer and Modified Drude (FB-MD) refractive index model. We obtained the refractive index of thin Ti layers over a wavelength range of 370 – 835 nm for layers between 6 nm and 100 nm. Red/green/blue and cyan/magenta/yellow colour coatings were designed using these materials. We explored the theoretical and experimental limits of simple four-layer (Metal/Dielectric/Metal/dielectric) coatings in terms of brightness and chroma, and obtained performances close to or exceeding the limits of known paint colours. In experiments, the deposited coatings (manufactured using electron-beam deposition) showed a very close agreement with the simulated results, demonstrating precise characterisation of the thin-film layers. Angle-metameric pairs were demonstrated at both normal and oblique incidence, showing a closely-controlled behaviour of the coating at different angles of incidence. Additionally, the possibility of using active materials with an exploitable index change was investigated. Coating designs using GeSbTe (GST) and Sb2S3 were compared. It was shown that Sb2S3 has superior properties for design of colour-shift coatings, and can be used in different configurations to create different effects, enabling a large hue shift with the possibility of defining a wide intermediate gamut for a large range of colours. In experiments, close agreement was found between the simulated and measured results from deposited coatings.