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RÉSUMÉ
L’article dresse un état de l’art sur les verres de chalcogénures. Il traite en particulier des conditions de préparation de ces verres non conventionnels, de leurs méthodes de mise en forme pour l’élaboration de fibres optiques ou de guides d’onde planaires, et des domaines d’applications en relation avec leurs propriétés optiques: dispositifs infrarouges pour l’imagerie thermique, capteurs à fibres optiques ou en optique intégrée pour le diagnostic médical et la surveillance environnementale, interférométrie infrarouge dans le domaine spatial.
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Catherine BOUSSARD-plédel : Ingénieure de recherche CNRS Équipe verres et céramiques, Institut des sciences chimiques de Rennes, UMR CNRS 6226, Université Rennes 1, Campus de Beaulieu, Rennes, France
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Virginie NAZABAL : Directrice de recherche CNRS Équipe verres et céramiques, Institut des sciences chimiques de Rennes, UMR CNRS 6226, Université Rennes 1, Campus de Beaulieu, Rennes, France
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Johann TROLÈS : Professeur à l’université de Rennes 1 Équipe verres et céramiques, Institut des sciences chimiques de Rennes, UMR CNRS 6226, Université Rennes 1, Campus de Beaulieu, Rennes, France
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Bruno BUREAU : Professeur à l’université de Rennes 1 Équipe verres et céramiques, Institut des sciences chimiques de Rennes, UMR CNRS 6226, Université Rennes 1, Campus de Beaulieu, Rennes, France
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Xiang-Hua ZHANG : Directeur de recherche CNRS Équipe verres et céramiques, Institut des sciences chimiques de Rennes, UMR CNRS 6226, Université Rennes 1, Campus de Beaulieu, Rennes, France
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Jean-Luc ADAM : Directeur de recherche CNRS Équipe verres et céramiques, Institut des sciences chimiques de Rennes, UMR CNRS 6226, Université Rennes 1, Campus de Beaulieu, Rennes, France
INTRODUCTION
Par comparaison avec les verres courants que sont les verres à base de silice (oxyde de silicium, SiO2), les verres de chalcogénures sont formés à partir d’éléments tels que le soufre, le sélénium ou le tellure. De cette composition chimique particulière résultent des propriétés optiques exceptionnelles, notamment en termes de transparence à la lumière infrarouge. Ainsi, alors que les verres à base de silice sont transparents jusqu’à des longueurs d’onde de 3 μm environ, les chalcogénures sont transparents jusqu’à 6-10 μm pour les verres au soufre, plus de 11 μm pour les verres au sélénium et jusqu’à 18-25 μm pour les verres riches en tellure.
Par ailleurs, comme tous les verres stables, caractérisés par une faible tendance à évoluer vers l’état cristallin, les verres de chalcogénures peuvent être mis en forme par moulage-pressage pour la fabrication de lentilles par exemple, ou par étirage pour l’élaboration de fibres optiques, ou par dépôt pour réaliser des couches minces et des guides d’onde planaires.
L’association des possibilités de mise en forme et des propriétés de transmission dans l’infrarouge ouvre un vaste champ d’applications pour ces matériaux issus de la recherche académique : dispositifs infrarouges pour l’imagerie thermique (surveillance, défense, médical), capteurs à fibres optiques ou en optique intégrée pour le diagnostic médical et la surveillance environnementale, interférométrie infrarouge dans le domaine spatial. Certaines de ces applications sont développées au sein d’entreprises créées spécifiquement pour valoriser les résultats obtenus en laboratoire : Umicore IR-Glass (2004), DIAFIR (2011), et SelenOptics (2015).
Dans cet article, nous nous attacherons à présenter l’état de l’art sur les verres de chalcogénures, en particulier les conditions de préparation de ces verres non conventionnels, les méthodes de mise en forme pour l’élaboration de fibres optiques ou de guides d’onde planaires, et les domaines d’applications en relation avec leurs propriétés optiques.
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Fibres optiques de chalcogénures
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1. Verres de chalcogénures
1.1 État vitreux
Un verre est un solide structuralement amorphe obtenu par refroidissement rapide du mélange porté au-delà de la température de fusion. Former un verre consiste alors à provoquer et contrôler un processus de polymérisation du bain fondu, qui va augmenter la viscosité du liquide en établissant des liaisons qui vont se propager sur de longues distances. Au refroidissement, les atomes qui sont restés très liés dans le liquide visqueux ne doivent pas avoir le temps de diffuser pour atteindre l’état cristallisé qui est le plus stable thermodynamiquement. Le solide vitreux est donc dans un état métastable qui a gardé en mémoire l’organisation structurale du liquide visqueux. Bien qu’amorphe, un verre n’est donc pas complètement désordonné. Sa charpente structurale est construite à partir de polyèdres spécifiques à chaque famille, maintenant un fort ordre structural local.
HAUT DE PAGE1.2 Compositions chimiques et structures
Les chalcogènes sont les éléments de la colonne 16 du tableau périodique situés sous l’oxygène : soufre, sélénium, tellure. Les verres dits de « chalcogénures » sont donc constitués d’un ou plusieurs chalcogènes associés à des éléments proches dans le tableau périodique tel que l’arsenic As, l’antimoine Sb, le germanium Ge, le gallium Ga, en fonction des applications visées . Le mode de liaison entre ces éléments d’électronégativités proches est donc essentiellement covalent. Cela les différencie nettement des autres familles de verres de notre environnement quotidien que sont les oxydes, presqu’exclusivement des silicates, pour lesquels les liaisons sont beaucoup plus polarisées, voire ioniques.
Comme l’oxygène, le soufre, le sélénium et le tellure possèdent une configuration électronique finale du type ns2np4....
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Verres de chalcogénures
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ZHANG (X.), BUREAU (B.), LUCAS (P.), BOUSSARD-PLEDEL (C.), LUCAS (J.) - Glasses for seeing beyond visible. - Chemistry-a European Journal, 14, p. 432-442 (2008).
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(2) - BUREAU (B.), DANTO (S.), MA (H.L.), BOUSSARD-PLEDEL C.), ZHANG (X.H.), LUCAS J.) - Tellurium based glasses : a ruthless glass to crystal competition. - Solid State Sci., 10, p. 427-433 (2008).
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(3) - BUREAU (B.), TROLES (J.), Le FLOCH (M.), SMEKTALA (F.), SILLY (G.), LUCAS (J.) - Solid state 77Se NMR investigations on arsenic-selenium glasses and crystals. - Solid State Sci., 5, p. 219-224 (2003).
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(4) - BUREAU (B.), TROLES (J.), Le FLOCH (M.), GUÉNOT (P.), SMEKTALA (F.), LUCAS (J.) - Germanium selenide glass structures studied by 77Se solid state NMR and mass spectroscopy. - J. Non-Cryst. Solids, 319, p. 145-153 (2003).
-
(5) - LUCAS (J.), ZHANG (X.) - The tellurium halide glasses. - J. Non-Cryst. Solids, 125, p. 1-16 (1990).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Le portail français du verre http://www.verreonline.fr/v_plat/prop_trans1.php
HAUT DE PAGE
Chalcogenide based cheap vitreous composition and production process FR1060133
Procédé d’obtention d’un matériau vitreux et optiquement transparent dans l’infrarouge, et dispositif optique comprenant un tel matériau WO2012076527
Capteurs à ondes infrarouges évanescentes et son procédé de fabrication PCT/EP 055038
Chemical species optical sensor operating in infrared WO2011042628
Process for obtaining a glass-ceramic material that is optically transparent in the Infrared WO 2012/076527 A1
HAUT DE PAGE3.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Production...
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