Mid-infrared micro-sensor devices for the detection of emerging pollutants in groundwater and sea water
Micro-capteurs optiques fonctionnant dans l'infrarouge pour la détection de polluants émergents en eaux souterraines et marines
Résumé
Development of mid-IR optical sensors is a challenge of great importance for detection of biochemical molecules. Mid-infrared range (4000-400 cm-1) contains the absorptions related to the vibrations of organic molecules. The aim of this work is the elaboration of sensors more selective, sensitive and compact. The work reported in this thesis concerns the development of optical waveguides based on chalcogenide glasses. The evanescent field is used for the detection of pollutant molecules diffusing to the surface of optical waveguide. One of the main step of this research is the synthesis of infrared material. Chalcogenide glasses are appropriate for sensing applications. Indeed, they are used for their wide transparency in the infrared range (2 – 15 µm for selenide glasses) and their high refractive index (between 2 and 3). Elaboration of optical waveguide requires fabrication of chalcogenide thin films by RF magnetron sputtering. In order to control the development of infrared micro-sensor, an experimental design was established to study the influence of sputtering parameters on thin films characteristics. Design of the optical waveguide was defined and etched by RIE-ICP (reactive ion etching-inductively coupled plasma). Measurement of optical losses and injection in mid-infrared (7,8 µm) were realized. This is the first optical waveguides working as far in the mid-infrared. The last step concerns the functionalization of surface waveguides in order to increase their selectivity. First tests were realized on ZnSe ATR prism with a hydrophobic polymer. Thus, detection of pollutant molecules absorbing at 13,8 µm, with very low concentrations (25 ppb), in hydrocarbons solutions (BTX) or in complex water (water purification plant and groundwater) was performed.
Le développement de capteurs optiques fonctionnant dans le moyen infrarouge est un enjeu majeur pour détecter les (bio-) molécules. En effet, le moyen infrarouge (4000 - 400 cm-1) contient une grande majorité des absorptions dues aux vibrations des molécules organiques. L'objectif de ces travaux de recherche est d'élaborer des capteurs plus sélectifs, plus sensibles et plus compacts. Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit concernent donc le développement de guides d'ondes optiques à base de verre de chalcogénure sensibles aux molécules cibles via l'absorption de la partie évanescente de la lumière guidée se propageant à la surface du guide. La synthèse des matériaux infrarouges est l'une des étapes clés. Les verres de chalcogénures sont des matériaux particulièrement appropriés pour cette application de détection de polluants. Ces verres présentent un large domaine de transparence dans l'infrarouge (2 - 15 µm pour les verres à base de sélénium) et des indices de réfraction élevés (entre 2 et 3). L'élaboration du guide d'onde nécessite la fabrication de couches minces de verre de chalcogénure par pulvérisation cathodique RF magnétron. Afin de maîtriser le développement du micro-capteur infrarouge, un plan d'expériences a été élaboré pour étudier l'influence des paramètres de dépôt sur les caractéristiques des couches minces. L'architecture du guide a été définie et réalisée par gravure RIE-ICP (gravure ionique réactive couplée au procédé de gravure plasma à couplage inductif) et les mesures de pertes optiques et d'injection dans le MIR (6,3 µm et 7,8 µm) ont été réalisées. Il s'agit des tous premiers guides fonctionnant aussi loin dans le moyen infrarouge. L'ultime étape consiste à fonctionnaliser la surface du guide augmenter sa sélectivité. Des premiers tests ont été réalisés sur un cristal ATR en ZnSe par un polymère hydrophobe. Ils ont permis la détection de molécules polluantes absorbant à 13,8 µm, présentes en très faible concentration (25 ppb) dans des solutions d'hydrocarbures (BTX) ou des eaux plus complexes (eaux de station d'épuration et eaux souterraines).
Origine : Version validée par le jury (STAR)