Optical and geometrical characterization of submicron milti-scale aggregates of spherical particles quite scattering
Caractérisation optique et géométrique des agrégats submicroniques multi-échelles de particules sphériques très diffusantes
Résumé
Multiscale aggregates (zinc sulfide: ZnS, ...) havephysical and physicochemical properties of great industrial interest (e.g. pharmaceutical industriy, material, environment). The overall objective of this thesis is to characterize these multiscale aggregates by an optical method on the one hand, and a geometric study of the other. The goal is to find simple relations between optical and geometrical properties. The results presented are valid for any material with high refractive index.The first step of this work is to build in a simple way the multiscale aggregate (like ordered arrangement of spherical elementary particles). Different aggregates are then geometrically modeled thanks to predefined design parameters (e.g. particles radius, aggregates overall volume). A preleminary analysis of optical and geometrical analysis is then performed to determine the relevant parameters: the average scattering cross section (...), calculed using a generalization of the Mie theory (GMM for Generalized Multiparticle Mie) developped by Y.L. Xu, and specific geometric values features. An analysis of the behavior of the optical parameter and the geometrical characteristic (e.g. compactness, volume of matter...), with respect to the construction parameters of the aggregates, is then performed.A second step is to study variations of ... value versus the variation of the geometrical parameter of aggregates. Mathematical relations characterizing these variations are established. Finally, a study on the approximation of the ... value is carried out. A power law is proposed which is basedon previous optical approximate methods and on the selection of geometrical characteristics of the aggregates. The optical properties and geometrical characteristics of the clusters are fairly extensive and contrasted to give a general groundwork to this study. The work done opens various perspectives such as the confrontation of the theorical mathematical model obtained, with experiment.
Les agrégats multi-échelles (sulfure de zinc: ZnS, ...) ont des propriétés physiques et physicochimiques présentant un grand intérêt industriel (industrie pharmaceutique, matériau, environnement...). L'objectif général de cette thèse est de caractériser ces agrégats multi-échelles par une méthode optique d'une part, et par une étude géométrique d'autre part. Le but est de trouver des relations simples entre propriétés optiques et géométriques. Les résultats présentés sont valables pour tout matériau à haut indice de réfraction.Ce travail comporte une première étape de modélisation en étudiant tout d'abord des modèles simples d'agrégats multi-échelles (agencement ordonné de particules élémentaires sphériques). Différents agrégats sont alors géométriquement modélisés suivant des paramètres de construction prédéfinis (volume global des agrégats, rayon des particules primaires...). Une analyse préliminaire optique puis une analyse géométrique sont alors effectuées afin de déterminer les paramètres respectifs à étudier: la section efficace moyenne de diffusion (...), calculée au moyen d'une extension de la théorie de Mie (GMM pour Generalized Multiparticle Mie) d'Y-L Xu, et des caractéristiques géométriques spécifiques (volume de matière, compacité...).Une seconde étape consiste à étudier les variations de la valeur de ... en fonction de celles des paramètres géométriques des agrégats. Des relations caractérisant ces variations sont établies. Enfin, une expression approchées pour la valeur de ... est recherchée sous la forme d'une loi de puissance, reposant sur des méthodes optiques approchées existantes et sur la sélection de caractéristiques géométriques pertinentes. Le modèle mis en place est robuste et présente un compromis entre précision et complexité. Le travail réalisé ouvre diverses perspectives comme la confrontation du modèle mathématique théorique obtenu, avec l'expérience.
Origine : Version validée par le jury (STAR)