Elaboration et caractérisation de films ultraporeux de silice par voie sol-gel : application à des systèmes de biodétection et de microchauffage

par Caroline Desfours

Thèse de doctorat en Milieux denses et matériaux

Sous la direction de Csilla Gergely et de Pascal Etienne.

Soutenue en 2009

à Montpellier 2 .

mots clés

• Procédé sol-gel
• Couche ultraporeuse
• Guide d'onde à symétrie inversée
• Biodétection
• Microsystème de chauffage
• Sol-gel, Procédé
• Silicium -- Couches minces
• Microtechniques

Résumé

Dans ce travail, des couches ultraporeuses de silice avec de très faibles indices de réfraction (1,1-1,2) et des épaisseurs de l'ordre du micromètre sont préparées et intégrées à deux systèmes de capteurs pour des applications distinctes. La synthèse de la solution initiale est optimisée à partir du procédé sol-gel classique en deux étapes. En raison de sa forte porosité, la couche déposée présente deux propriétés remarquables : un bas indice de réfraction et une faible conductivité thermique. Notre étude est fondée sur la mise en place de deux systèmes : un guide d'onde optique à symétrie inversée et un microsystème de chauffage. Le principe de réalisation du guide d'onde à symétrie inversée réside sur un empilement de trois couches avec une couche centrale à plus haut indice de réfraction que les milieux qui l'entourent. La particularité de ce guide provient du fait que l'indice du milieu inférieur (couche ultraporeuse) est plus faible que celui du milieu supérieur. Dans une application de construction d'un film multicouche type polyélectrolyte/protéine et afin de tester la profondeur de détection du champ évanescent, des multicouches de poly-L-lysine et caséines sont adsorbées à la surface du guide. A partir de la variation de l'indice de réfraction effectif, il est possible de déterminer la masse de biomolécules déposées et de montrer la sensibilité accrue par ce système. Dans la deuxième application de la couche ultraporeuse, la technologie du microsystème de chauffage repose sur l'intégration de cette couche entre une résistance métallique et son substrat. Il est mis en évidence que cet ajout permettait une meilleure concentration de l'énergie fournie.

Titre traduit

Development and characterization of ultraporous silica films by sol-gel process : Application to biosensing and microheating systems

Résumé

In this work, ultraporous silica layers with very low refractive indices (1,1-1,2) and thicknesses about one micrometer are prepared and integrated to two systems of sensors for different applications. The synthesis of the initial solution is optimized from the sol-gel standard two steps. Due to its high porosity, the deposited layer has two remarkable properties : low refractive index and low thermal conductivity. Our study is based on the establishment of two systems : a reverse symmetry waveguide and an heating microsystem. The achievement principle of the reverse symmetry waveguide is based on a stack of three layers with a central layer with higher refractive index than the surrounding media. The particularity of this guide is due to the index of the lower middle (ultraporous layer) which is lower than the upper middle. In an application to build a multilayer film type polyelectrolyte / protein and to test the depth of evanescent field sensing, poly-L-lysin and caseins multilayers are adsorbed on the waveguide surface. From the variation of the effective refractive index, one can determine the mass of biomolecules deposited and we show the sensitivity of this system. In the second application of the ultraporous layer, the technology of heating microsystem is based on the integration of this layer between metal resistance and its substrate. It is highlighting that this addition allows a better concentration of energy supplied.