Solution processed organic and oxide semiconductor devices with their biochemical sensing applications

par Ching-Fu Lin

Thèse de doctorat en Chimie Physique

Sous la direction de Olivier Soppera et de Hsiao-Wen Zan.

Soutenue le 28-07-2022

à Mulhouse , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....) , en partenariat avec Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (laboratoire) et de Institut de Science des Matériaux de Mulhouse / IS2M (laboratoire) .

mots clés

• Photodétecteur
• Semi-conducteur organique
• Semi-conducteur à oxyde métallique
• Sol-gel
• Plasmon
• Capteur chimique
• Impression 3D
• Recuit laser
• Résonance plasmonique de surface
• Détection colorimétrique
• Semiconducteurs organiques
• Plasmons
• Impression 3D
• Capteurs optiques
• Oxydes métalliques

Titre traduit

Dispositifs semi-conducteurs organiques et oxydes métalliques préparés à base de solutions et leurs applications comme capteurs biochimiques

Résumé

Dans cette thèse, nous proposons des stratégies pour réaliser des dispositifs de détection biochimique compacts et peu coûteux. Elles reposent sur l'intégration de photodétecteurs (PDs) sous forme de couches minces de semi-conducteurs organiques ou d'oxyde métallique (MO) associés à de techniques de détection colorimétrique. Deux principaux PD avec des couches photoactives nanocomposites ont ainsi été développés : PD à hétérojonction organique (PD-OHJ) et PD à MO (PD-MO) couplée à des nanoparticules métalliques (NPs) par voie sol-gel.Dans le cas des PD-OHJ, une encapsulation et un design spécial de l'électrode en format digital ont permis de développer un capteur efficace pour détecter le formaldéhyde gazeux. Le capteur est intégré verticalement et permet de détecter la variation d'intensité de la lumière réfléchie dans une puce de réaction colorimétrique.Les PD-MO ont été proposés pour améliorer la stabilité dans le temps des dispositifs. Une structure couplant le matériau semi-conducteur à des NPs métalliques a été proposée. Une bonne photoréponse dans la gamme UV-visible-proche infrarouge est alors obtenue. Grâce à un nouveau procédé de recuit laser dans le proche infrarouge, nous avons réussi à faire traiter le matériau sol-gel MO à basse température (effet thermoplasmonique). La fabrication des PD a ainsi pu être réalisée sur des pièces en résine imprimées en 3D, permettant ainsi l’intégration des PD à une chambre de détection imprimée en 3D pour élaborer un biocapteur compact. Un capteur pour la détection colorimétrique de l'urée basée sur la lecture de la variation d'intensité de la lumière transmise a ainsi été réalisé.

mots clés

• Photodetector
• Organic semiconductor
• Metal oxide semiconductor
• Sol-gel
• Plasmon
• Chemical sensor
• 3D printing
• Laser annealing
• Surface plasmon resonance
• Colorimetric sensing

Résumé

In this thesis, we propose strategies to realize compact and low-cost biochemical detection devices. They are based on the integration of photodetectors (PDs) as organic semiconductor or metal oxide (MO) thin films associated with colorimetric detection techniques. Two main PDs with nanocomposite photoactive layers have been developed: organic bulk heterojunction (BHJ) PDs (PD-BHJ) and MO PDs (PD-MO) coupled to metal nanoparticles (NPs) by sol-gel process.In the case of PD-BHJs, a special encapsulation and design of the electrode in digital format has enabled the development of an efficient sensor for detecting formaldehyde gas. The sensor is vertically integrated and can detect the intensity change of reflected light in a colorimetric reaction chip.PD-MO have been proposed to improve the time stability of the devices. A structure coupling the semiconductor material to metal NPs has been proposed. A good photoresponse in the UV-visible-near infrared range is then obtained. Thanks to a new NIR laser annealing process, we succeeded in processing the sol-gel MO material at low temperature (thermoplasmonic effect). The fabrication of the PDs could then be performed on 3D printed resin parts, allowing the integration of the PDs into a 3D printed sensing chamber to build a compact biosensor. A sensor for the colorimetric detection of urea based on the reading of the intensity variation of the transmitted light has been realized.