Étude des matériaux et dispositifs électrochromes dans l`infrarouge

-« Étude des matériaux et dispositifs électrochromes dans l’infrarouge
et les bandes radar »
Projet REI n°06C0074
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M. Morcrette, A. Rougier, Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides (LRCS, UMR
6007, Amiens).
J.C. Badot, Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (LCMCP, ex-LCAES,
UMR 7574, ENSCP, Paris).
O. Dubrunfaut, Laboratoire de Génie Electrique de Paris (LGEP, UMR 8507, Sup Elec, Gifsur-Yvette).
Y. Duval, Le Centre Commun de Recherche de EADS (EADS CCR, 12 rue Pasteur BP 76,
92152 Suresnes).
D'un point de vue Défense, il apparaît de plus en plus nécessaire de disposer de solutions pour la
furtivité, qui soient actives (i.e. commandable afin de s’adapter à l’environnement et au type de
menace) et multispectrales (si possible, allant de l'infrarouge aux bandes radar, ou, à défaut, efficace
dans un domaine spectral restreint mais compatible – i.e. n’interférant pas – avec les autres solutions
technologiques mis en œuvre pour couvrir les bandes spectrales). Ce programme REI de deux ans,
intitulé « Etude de matériaux et dispositifs électrochromes dans l’IR et les bandes radar » a permis de
démontrer l’intérêt des matériaux électrochromes, définis par l’adaptabilité de leur réponse optique à
la simulation électrique, pour ces domaines d’applications.
Notre approche a consisté en une étude complète de (i) l’élaboration du matériau actif en poudres
ou couches minces, (ii) à sa caractérisation physico-chimique et plus particulièrement électro-optique
dans les bandes II (3-5 µm) et III (8-12 µm) et bandes radar et (iii) son intégration dans un dispositif
sur substrats rigides ou souples. La complémentarité des quatre partenaires, associant trois
universitaires et un industriel, a permis de proposer des solutions aux différents verrous
technologiques liés à l’utilisation des matériaux électrochromes pour la furtivité IR et bandes radar,
thématique très peu abordée jusque là dans la littérature.
Le développement d’oxydes transparents conducteurs, actifs dans l’infrarouge a particulièrement
été exploré. Trois familles d’oxydes transparents conducteurs de type p, à base de ZnO ou de TiO2:Nb,
et les « delafossite » à base de CuInO2, ont montré une bonne transparence dans l’IR associée
toutefois à une conductivité trop faible. Une autre voie, basée sur le dépôt de grille d’or de maillage
optimisé par photolithographie sur un substrat transparent à base de BaF2 a alors été testée avec
succès. En termes de matériaux électrochromes, l’accent a été mis sur l’étude de nouveaux matériaux
tels les sulfures. Par exemple, en bande II (3-5 µm) une variation significative de réflectivité par
insertion de 0,45 lithium a été atteinte pour TiS2. En parallèle, une optimisation des matériaux
« classiques » a également été poursuivie. Des tests en caméra IR ont montré une variation de la
température apparente de l’ordre de 22 °C entre WO3.1H2O et LixWO3.1H2O (en cellules complètes).
La dernière action concernait la réalisation de dispositifs complets sur substrats rigides et
souples, en milieu lithié ou protoné. Des augmentations de modulation de contraste en absorptance de
30 à 60 % ont été démontrées (par simulation) en bande II et de 35 à 42 % en bande III, pour des
dispositifs BaF2/GT-IR/WO3/GR-IR/Membrane/NiO/Au (transparent). Les résultats expérimentaux
ont conduit à des valeurs de contraste en réflectance inférieures à celles prédites par la simulation. En
effet, pour le dispositif, des contrastes en absorption de 0,21 et 0,25 ont été enregistrés en bande II et
III contre 0,42 et 0,54 pour la simulation. En accord avec des vitesses de commutations plus élevées,
la voie « proton » a également été favorisée pour les substrats souples. Cette approche a nécessité : (i)
l’élaboration d’un composite polymère-silice afin d’obtenir un film aux propriétés hydrophiles, (ii)
l’utilisation comme matériau de contre-électrode, de films de carbone activé, et (iii) WO3.H2O comme
matériau actif. Pour les systèmes en milieu aqueux, une voie très originale, basée sur
l’électrodéposition de Cu a conduit à l’obtention de contrastes en réflectivité de l’ordre de 0,45 en
bande III. Les tests en bande radar effectués sur des couches minces de WO3 ont permis de valider la
faisabilité de cette technique dans un domaine encore très peu exploré dans la littérature.