Etude de guides d'onde polymères fluorés par voie plasma et développement de nouveaux capteurs photoniques à base de polyaniline

Study of plasma-fluorinated polymer waveguides and development of new photonic sensors based on polyaniline

• Auteur / Autrice : Aissam Airoudj
• Direction : Fabienne Poncin-Epaillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physicochimie des polymères
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Le Mans

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Capteurs optiques

Polymérisation sous plasma

Guides d'ondes optiques

Polymères

Résumé

Ce travail, qui s'inscrit dans une thématique scientifique propre à la fonctionnalisation des polymères pour de nouveaux capteurs optiques basés sur des polymères conducteurs et dédiés à la détection de gaz potentiellement dangereux, a pour but à la fois de diminuer les pertes optiques des guides d’onde polymères via la fonctionnalisation par plasma froid et de développer de nouveaux micro-capteurs photoniques à base de polyaniline intégrée sur des guides d’onde polymères et dédiés à la détection d’ammoniac. Une nouvelle technique, basée sur le traitement de surface par plasma froid, a été utilisée pour diminuer les pertes optiques en propagation dans les guides d’onde du polymère SU-8. Deux types de gaz plasmagènes ont été utilisés : CF4 pur et le mélange CF4/H2. L’optimisation des paramètres de traitement plasma (temps de traitement, puissance RF, débit de gaz) a permis d’obtenir une fluoration maximale en diminuant la dégradation de la surface de polymère. Grâce à cette nouvelle technique, les pertes optiques ont diminué de 60% dans le domaine des télécoms. La diminution des pertes optiques est due à la substitution des liaisons C-H du polymère SU-8 par des liaisons C-Fx (x =1-3) moins absorbantes dans le domaine des télécoms. Le contrôle de la chimie de la phase plasma par l’ajout d’hydrogène a permis d’améliorer la fluoration du polymère, améliorant ainsi la transmission optique des guides d’onde polymères. Dans une seconde partie, des capteurs en optique conventionnelle dédiés à la détection d’ammoniac, basés sur la variation de l’absorbance optique de la couche sensible, ont été développés. Ainsi, différentes couches sensibles ont été élaborées et caractérisées en absence et en présence d’ammoniac : la polyaniline pure élaborée par voie chimique, la polyaniline composite (PANI/SU-8, PANI/PMMA) et la polyaniline élaborée par voie plasma. La dispersion de la polyaniline dans la matrice d’un polymère a permis d’améliorer les performances des capteurs optiques tout en conservant sa sensibilité et sa sélectivité à l’ammoniac. Enfin, une famille de nouveaux micro-capteurs photoniques intégrés sur des guides d’onde monomodes en polymère SU-8 et dédiés à la détection d’ammoniac a été développée et caractérisée. Nous avons ainsi validé le concept de ‘sensibilité optique’ de matériau à un gaz via la sonde ou queue évanescente. Trois micro-capteurs photoniques ont été réalisés : micro-capteurs à base de polyaniline composite, à base de polyaniline élaborée par voie plasma ou basés sur une architecture multicouches. Le montage de caractérisation sous gaz développé au laboratoire autour du banc de micro-injection photonique a permis de mesurer des variations de la puissance de la lumière guidée en sortie des micro-capteurs et de détecter des concentrations d’ammoniac aussi faibles que 92 ppm. L’étude des micro-capteurs en présence d’ammoniac a montré que ces structures ont une sensibilité importante et sont rapidement régénérées à température ambiante.

A new technique for the control of surface properties and optical transmission losses of SU-8 polymer waveguide based on radio-frequency plasma treatment is studied. Two types of plasma have been used: CF4 and CF4/H2 mixtures. It was found that the functionalization degree depends on process parameters such as gas phase, treatment duration, and discharge power. The optical losses decrease after plasma treatment and can be reduced up to 60 % in the telecom region (1304 nm). The observed decrease of optical losses due to propagation in Si/SiO2/fluorinated SU-8 planar waveguides has been correlated to the surface properties of fluorinated polymer. The decrease of the optical losses can be due to the substitution of the C-H bonds by CFx (x=1-3) bonds which are less absorbing in the telecom region. The control of the chemical plasma phase by the hydrogen addition improves fluorination of polymer, thus improving the optical transmission of the polymeric waveguides. In second part, optical ammonia gas sensors, based on the variation of the optical absorbance of the sensitive layer, were developed. Thus, various sensitive layers were elaborated and characterized in the absence and in the presence of ammonia gas: pure polyaniline (PANI) synthesized by chemical way, the PANI composites (PANI/SU-8, PANI/PMMA) and PANI synthesized by plasma technique (PECVD). The sensors present significant absorbance variations upon exposure to ammonia gas at room temperature. The dispersion of polyaniline in the polymer matrix improves the performances of the optical sensors while preserving its sensitivity and its selectivity to ammonia gas. Finally, a new family of photonic ammonia sensors integrated on SU-8 polymer waveguide was designed and developed. We have validated the concept of “optical sensitivity” of material to a gas via the probe or evanescent field. Three photonic micro-sensors were developed: micro-sensors based on polyaniline composite, plasma-polymerized polyaniline and sensors based on a multi-layer architecture. The sensing properties of the photonic sensors to ammonia at room temperature were studied. After exposed to ammonia, a significant change in the guided light output power of the photonic sensors is observed. Compared with the conventional optical ammonia sensor based on absorption spectroscopy, the integrated optical sensor is more sensitive to ammonia.