Ανάπτυξη φωτονικών αισθητήρων και διατάξεων με χρήση νανοδομημένων οπτικών υλικών

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και ανάπτυξη οπτικών (φωτονικών) αισθητήρων με τη χρήση νέων οπτικών υλικών. Ειδικότερα μελετάται η ανάπτυξη χημικών αισθητήρων βασισμένων σε ανόργανα άλατα διαλυμένα σε μήτρες sol-gel και πολυμερών, όπως επίσης και σε καινοτόμα πολυμερικά υλικά. Το πρώτο μέρος της εργασίας περιλαμβάνει την δημιουργία και τον οπτικό χαρακτηρισμό χημικών αισθητήρων αερίων (αμμωνίας, βενζολίου, τολουολίου) μέσω της δημιουργίας δομών φραγμάτων περίθλασης με την τεχνική της μαλακής λιθογραφίας (softlithography). Το πρώτο βήμα περιλαμβάνει τη κατασκευή του προτύπου (master) πάνω σε υμένιο πολυστυρενίου(PS) χρησιμοποιώντας ArF excimer laser ακτινοβολίας UV(193nm). Το δεύτερο βήμα αφορά την κατάλληλη διαμόρφωση του ελαστομερικού υλικού πολυδιμεθιλοσιλοξάνη - Polydimethylsiloxane(PDMS) για την μεταφορά της δομής του προτύπου σε νέα υποστρώματα. Η πρώτη τεχνική που εφαρμόζεται είναι η Solvent Assisted Micromolding(SAMIM) όπου το ενεργό υλικό γεμίζει τις διαμορφωμένες περιοχές της σφραγίδας μέσω σύμμορφης επαφής. Η δεύτερη τεχνική είναι η τεχνική micromolding in capillaries (MIMIC) όπου το προς διαμόρφωση υλικό γεμίζει τους ανοιχτούς διαύλους της σφραγίδας μέσω των δυνάμεων της επιφανειακής τάσης. Τα προς διαμόρφωση ενεργά υλικά που χρησιμοποιούνται είναι τα άλατα χλωριούχο νικέλιο(ΝiCl2) και χλωριούχος χαλκός(CuCl2) σε μήτρες τετρααιθοξυσιλανίου(tetraethylorthosilicate-TEOS)και τετραμεθοξυσιλανίου (tetramethoxyorthosilicate-TMOS) και το συμπολυμερές Polystyrenesulfonate-b-tert-butylstyrene(SPS-b-PtBS) σε κατάλληλους διαλύτες. Ακολούθως, μετρώνται οι πρώτοι όροι περίθλασης τοποθετώντας τα φράγματα περίθλασης μπροστά από laser HeNe (~633nm) όπου καταγράφεται η σχετική ισχύ του εκάστοτε κροσσού παρουσία των προς μέτρηση αερίων. Το δεύτερο μέρος της εργασίας περιλαμβάνει την κατασκευή και τον οπτικό χαρακτηρισμό ενός φωτονικού αισθητήρα χρησιμοποιώντας το προαναφερθέν συμπολυμερές (SPS-b-PtBS) ως ενεργό υλικό, εναποθετημένο σε τροποποιημένη επιφάνεια πολύτροπης πολυμερικής οπτικής ίνας (POF) με σκοπό την ανίχνευση βιοϋλικών και συγκεκριμένα πρωτεϊνών όπως η λυσοζύμη. Το στρώμα του προαναφερθέντος συμπολυμερούς πάνω στην καμπυλωμένη και απογυμνωμένη επιφάνεια της οπτικής ίνας δημιουργείται με την τεχνική της εμβάπτισης (dip-coating). Η ανίχνευση της παραπάνω πρωτεΐνης στηρίζεται στην αλληλεπίδρασή της με το συμπολυμερές λόγω ηλεκτροστατικών φαινομένων που αναπτύσσονται, λόγω των αντίθετων φορτίων τους, επάγοντας μία φυσική απόκριση που εξαρτάται από το μέτρο των δυνάμεων που αναπτύσσονται καθώς και την ανακατανομή του ηλεκτρικού φορτίου. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές δημιουργούν μεταβολή στο πάχος του υμενίου, αλλάζοντας τον οπτικό δρόμο και τις απώλειες απορρόφησης και ως εκ τούτου μεταβάλλουν την ένταση του σήματος εξόδου.

The subject of this thesis is the design and development of optical (photonic) sensors using new optical materials. Specifically, the current development of chemical sensors based on inorganic salts dissolved in sol-gel matrices and polymers, as well as novel polymeric materials.The first part of the work involves the creation and optical characterization of chemical gas sensors (ammonia, benzene, toluene) creating grating structures with the technique of soft lithography (soft lithography). The first step comprises the construction of the template (master) on coated polystyrene (PS) using ArF excimer laser radiation UV (193nm). The second step is the appropriate configuration of the elastomeric material polydimethilosiloxani - Polydimethylsiloxane (PDMS) to transport the structure of the masters in new substrates. The first technique is applicable Solvent Assisted Micromolding (SAMIM) where the active material fills the locations of the seal formed by conformal contact. The second technique is micromolding in capillaries (MIMIC) where the material fills the channels of the stamp by means of the forces of surface tension. The configuration with active materials used are the salts of nickel chloride (NiCl2) and copper chloride (CuCl2) in molds tetraethoxysilane (tetraethylorthosilicate-TEOS) and tetramethoxysilane (tetramethoxyorthosilicate-TMOS) and copolymer Polystyrenesulfonate-b-tert-butylstyrene (SPS-b -PtBS) in suitable solvents. Then, the first measured diffraction conditions placing them ahead of diffraction gratings laser HeNe (~ 633nm) which records the relative strength of each fringe presence of gases to be measured.The second part involves the construction and characterization of a photonic optical sensor using the above copolymer (SPS-b-PtBS) as an active material for the detection of specific proteins and biomaterials such as lysozyme