Stabilité environnementale des couches minces hybrides organiques/inorganiques sur substrats de plastique

Ce mémoire porte sur l'étude de la stabilité environnementale des revêtements optiques sur des substrats de plastiques, plus particulièrement pour des filtres antireflets dans le contexte d'application ophtalmiques. Ces résultats pourraient également servir pour toute autre application sur plastiques demandant des diélectriques à bas (n � 1.5) et à hauts indices (n � 2). Puisque les matériaux diélectriques classiques, tels que le SiO2 ou le ZrO2 sont fragiles, le but ici est de les rendre plus élastiques et résilients aux déformations mécaniques en insérant des liaisons organiques. Les matériaux hybrides organiques/inorganiques à base de silice et de zircone ont été synthétisés par la méthode du dépôt chimique en phase vapeur assisté par faisceau d'ions d'oxygène et d'un précurseur organosilicié. Ces matériaux ont été déposés sous forme de couche simple afin de bien caractériser leurs propriétés individuellement. Dans un second temps, des empilements antireflets ont été conçus à partir de diverses combinaisons de ces matériaux. Les couches simples ainsi que les empilements ont tous été sujets à des tests de stabilité environnementale, soient à une échelle de température afin de déterminer le seuil de fissuration ; à un environnement chaud et saturé en humidité ; à une exposition prolongée à des radiations ultraviolettes représentatives de celles reçues du soleil ; et finalement à l'immersion dans une solution chaude et saline. Lors de ces tests, les couches hybrides ont démontré une durabilité supérieure lorsque comparées aux couches inorganiques, ayant des températures de fissuration en milieux sec supérieures à la température de transition vitreuse du substrat de CR-39 (120 �C), et supérieures à 80�C en milieux humide. De plus, leur propriété optiques sont demeurées stables suite à 200 heures d'irradiations ultraviolettes montrant que la stabilité des liaisons organiques. Les désavantages de la méthode hybride résident dans l'uniformité du procédé, laquelle demanderait un meilleur contrôle de la distribution du précurseur dans l'enceinte ainsi que du bombardement ionique.

Abstract

This Master's thesis concerns the environmental stability of dielectric coatings for plastic optics. Since classic high-index (n � 2) and low-index (n � 1.5) inorganic dielectrics are brittle, the goal here was to obtain more resilient and durable materials. In our case, this was done by obtaining hybrid organic/inorganic coatings which, in some way, exhibit mechanical properties which are more similar to those of plastic substrates. These hybrid materials were deposited using ion beam assisted chemical vapour deposition using oxygen ions with an organosilicon precursor. The deposited materials are based on SiO2 and ZrO2 for the low and high indices, respectively. The deposited layers were then subject to thorough optical and mechanical characterization before enduring environmental tests. Antireflective stacks made from a combination of those materials were also conceived and tested. The environmental tests consisted of temperature variation up to the cracking point in dry and humid environments; prolonged exposure to UV radiation; and immersion in warm saline solution. During those tests, the hybrid materials exhibited superior durability when compared to their inorganic counterparts. Namely, their cracking temperature was increased to values greater than the glass transition temperature of the CR-39 substrate (of 120�C) and their damp heat cracking temperature was superior to 80�C, meanwhile the inorganic samples failed at lower temperatures. The hybrids have also shown no sign of significant variations after 200 hours of UV irradiation, demonstrating the stability of their organic bonds. The weak point of the hybrid approach resides in the uniformity of the deposition process, which will require better control on the precursor and the ion current density distribution in the chamber.