MODELISATION DES MODIFICATIONS D’INDICE DE TIO2 EN PRESENCE
D’INCLUSIONS METALLIQUES D’ARGENT
Soulef Benghorieb1,2, Rachida Saoudi1, Alexandre Tishchenko1, Farida Hobar2
1 Laboratoire Hubert Curien UMR 5516, Université de Saint-Etienne, 18 rue du professeur Benoit
Lauras, BatF 42000 Saint Etienne France
2 Laboratoire des Micro systèmes et instrumentation Université de Constantine ,Route de Ain El
Bey 25017 Algérie
RESUME
Dans cet article nous présentons les résultats de modélisation de la modification
d’indice de réfraction complexe d’une matrice de TiO2 dopée de nanosphères
métalliques d’argent. La technique, nouvelle, que nous avons développé est basée sur
l’exploitation de la théorie de Mie[1]. Avec cette méthode il nous est possible d’ajuster
la variation d’indice en fonction des paramètres caractéristiques des nanoparticules et
d’inventer ainsi de nouveaux matériaux micro/nanostructurés avec des propriétés
optiques bien spécifiques. Dans ce travail nous montrons, pour une taille fixée,
l’amplitude de variations des parties réelle et imaginaire de l’indice de TiO2 ainsi que
l’effet liés à la taille, en fonction de la longueur d’onde, sur ce changement d’indice.
MOTS-CLEFS : modélisation ; propriétés optiques ; nanosphères d’Ag ; TiO2.
1. INTRODUCTION
Depuis quelques années, des travaux ont été menés sur l’étude des propriétés optiques de
matériaux dopés par des nanosphères métalliques d’argent ou autre [2]. Des techniques de
modélisation de l’indice effectif de ces structures composites ont été développées. Elles reposent
essentiellement sur des théories classiques statiques telle que la théorie de Clausius-Mossotti et
Maxwell Garnett [3]. Dans cette approche, les inclusions sont supposées de petite taille et les
concentrations en particules ne doivent guère dépasser les 10%. Nous proposons une nouvelle
méthode numérique qui est basée sur l’utilisation de la théorie de Mie. Elle permet de prévoir les
modifications d’indice de la matrice sans restriction sur la taille, la forme et la concentration. Dans
cet article nous présentons quelques résultats sur les variations d’indice (parties réelle et imaginaire)
de TiO2 en fonction de la taille des nanosphères d’Ag et de la longueur d’onde. TiO2 a été choisi en
raison de son importance en tant que matériau pour l’optique. Pour simplifier le problème nous
traitons le cas d’une particule unique d’Ag de forme sphérique.
2. CALCUL DE LA VARIATION D’INDICE DE TIO2
Notre modélisation permet de calculer la variation d’indice de TiO2dopé par des
nanoparticules métalliques ou autres. Il est possible, en jouant sur les paramètres caractéristiques
des particules dopantes (taille, concentration et forme), d’ajuster précisément la valeur de cette
variation et donc de prévoir un matériau composite TiO2/Ag avec des propriétés optiques bien
définies. Nous donnons quelques résultats numériques sur la modification d’indice de TiO2 en
présence d’une particule unique d’Ag de forme sphérique. Une structure périodique formée de
nanosphères d’Ag dans TiO2 peut également être traitée par notre approche. Ceci laisse envisager
des dispositifs optiques comme par exemple des guides d’ondes et microcavités.
La figure 1 montre les parties réelle et imaginaire de la variation de l’indice complexe de
TiO2 en présence d’une nanosphère d’argent de 10 nm de diamètre. La concentration volumique du
métal dans la matrice est fixée à 0.01%. Dans ce qui suit , toutes les courbes sont normalisées par le
volume de la sphère. Nous observons que même à faible concentration le changement d’indice