Développement d'un capteur plasmonique pour le contrôle de la qualité de l'air

Development of a plasmonic sensor for air quality control

• Auteur / Autrice : Hugo Bruhier
• Direction : Isabelle Verrier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique et Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 06/06/2023
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Viricelle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Berini, Christelle Varenne, Jérôme Brunet, Yves Jourlin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Grosjean, Olivier Gauthier-Lafaye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs optiques

Capteurs (technologie)

Réseaux de diffraction

Mots clés libres

Réseau de diffraction

Capteur à gaz

Capteur plasmonique

Diffraction grating

Gas sensor

Plasmonic sensor

Résumé

L’objectif de ce travail de thèse est le développement d’un tout nouveau type de capteur plasmonique différentiel basé sur l’effet du switch optique. Ce capteur est appliqué à la détection de deux polluants atmosphériques, le dioxyde d’azote NO2 et l’ozone O3, à l’origine de nombreux problèmes de santé publique. L’effet du switch plasmonique, créé avec un réseau de diffraction métallique profond, consiste en une bascule de l’énergie entreles ordres diffractés -1 et 0 et permet une mesure différentielle de leurs efficacités, s’affranchissant notamment des variations d’intensité de la source lumineuse. L’utilisation conjointe de couches de matériaux fonctionnels (phtalocyanine de cuivre et indigo) a pour but d’améliorer la sélectivité du capteur vis-à-vis de ces deux gaz (NO2 et O3). Le coeur de ce travail est la présentation et l’étude de cette bascule d’énergie pour une utilisation en tant que capteur. L’effet switch plasmonique est analysé en fonction des différents paramètres du réseau (période, profondeur, forme et rugosité du profil) à l’aide de sa réponse angulaire. Une structure diffractive unique surmontée de l’une ou l’autre des deux couches fonctionnelles (Phtalocyanine de cuivre ou indigo) a été optimisée pour la détection des gaz NO2 et O3. Une exploration exhaustive des traitements numériques opérés sur les signaux de mesure est effectuée. Les résultats expérimentaux de ce travail offrent une excellente sensibilité à une variation d’indice de réfraction à une interface métal/air avec une limite de détection de l’ordre de 10-7 RIU. De plus, la structure diffractive sur laquelle est déposée une couche de phtalocyaninede cuivre a montré une sensibilité satisfaisante au dioxyde d’azote (limite de détection de 20 ppm) et une bonne sensibilité à l’ammoniac (limite de détection de l’ordre du ppm).

The objective of this thesis is the development of a brand-new type of differential plasmonic sensor based on the optical switch effect. This sensor is applied to the detection of two atmospheric pollutants, nitrogen dioxide NO2 and ozone O3, causing public health problems. The effect of the plasmonic switch, created with a deep metallic diffraction grating, consists in an energy transfer between the diffracted orders -1 and 0 and allows a differential measurement of their efficiencies, in particular overcoming intensity variations of the light source. The joint use of functional materials thin films (copper phthalocyanine and indigo) aims to improve the sensor selectivity with respect to these two gases (NO2 and O3). The core of this work is the presentation and study of this energy transfer for use as a sensor. The plasmonic switch effect is analyzed according to the different parameters ofthe grating (period, depth, shape and roughness of the profile) using its angular response. A unique diffractive structure coated by one or the other of the two functional layers (Copper Phthalocyanine or Indigo) has been optimized for the detection of NO2 and O3 pollutants. An exhaustive exploration of the digital processing on the measurement signals is carried out. The experimental results of this work offer excellent sensitivity to an index variation atthe metal/air interface with a detection limit in the order of 10-7 RIU. Moreover, the diffractive structure on which a copper phthalocyanine layer has been deposited, showed suitable sensitivity to nitrogen dioxide (detection limit of 20 ppm) and good sensitivity to ammonia (detection limit of 1 ppm).