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Tesis

Desarrollo de sensores ópticos basados en cristales fotónicos porosos

2016



Tesista Maria Constanza SANSIERRA
Licenciada en Química - Universidad Nacional de Tucumán - Argentina
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
Directores Dra. ANGELOMÉ Paula C. CNEA, UADE, CONICET - Argentina
Dra. FUERTES María Cecilia. CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina
Lugar de realizaciónGerencia Química - CAC - CNEA - Argentina
echa Defensa 25/02/2016
Jurado Dra. Leticia Paula GRANJA.  CNEA, CONICET - Argentina
Dr. Matías JOBBÁGY.  UBA, CONICET - Argentina
Dr. Pedro Juan MORANDO.  CNEA. UNSAM - Argentina
Código IS/T 163/16

Resumen

Los films delgados de óxidos mesoporosos son materiales que presentan grandes áreas específicas y arreglos ordenados de poros monodispersos, de entre 2 y 50 nm de diámetro. La síntesis de estos materiales combina el proceso sol-gel con el autoensamblado de surfactantes inducido por evaporación. Estos films pueden ser modificados mediante la introducción de especies en la estructura porosa, obteniéndose así gran variedad de materiales funcionales. A partir del apilamiento de estas películas pueden obtenerse cristales fotónicos unidimensionales (CF) accesibles y, mediante el depósito de una capa de metal noble, pueden generarse sistemas con resonancia plasmónica Tamm.
En esta tesis se exploró la construcción de CF y dispositivos Tamm y se evaluó su desempeño como sensores de analitos en fase líquida y vapor. La síntesis de estas multicapas se realizó mediante dip y spin coating, modificando las variables que controlan dichos procesos, para obtener una amplia variedad de espesores y porosidades. Los sistemas obtenidos fueron caracterizados mediante elipsometría, porosimetría elipsométrica y microscopía electrónica. A partir de la optimización en la obtención de CF, se diseñaron los métodos de síntesis y procesamiento adecuados para producir dispositivos Tamm. En esta etapa, se obtuvieron CF reflectivos en todo el rango visible y sistemas Tamm únicamente mediante depósito de Au sobre CF. Para todos los sistemas se realizó un estudio exhaustivo de sus propiedades ópticas y estructurales por técnicas de espectroscopia UV-Visible, TEM y SEM. Además, se realizó la modificación superficial de los CF por post funcionalización con una molécula orgánica, logrando modificar la hidrofobicidad de los sistemas.
Finalmente, se evaluó la capacidad sensora de los dispositivos mediante dos tipos de ensayos: inmersión en alcoholes y respuesta a vapores de solventes orgánicos. Se observó que todos los sistemas son responsivos a cambios en el índice de refracción del medio. Además, se evaluaron los parámetros de sensibilidad y selectividad, encontrándose que los dispositivos Tamm resultan los más eficientes en los ensayos en vapor.
En conclusión, los resultados obtenidos en esta tesis constituyen un paso fundamental para el desarrollo de sensores ópticos responsivos a vapores y solventes, basados en CF y plasmones Tamm.

Complete Title

Development of optical sensors based on porous photonic crystals

Abstract

Mesoporous oxides thin films are materials with high specific surface and highly ordered monodisperse pores, with pore size range between 2 and 50 nm. The synthesis of these materials combines sol gel reactions with evaporation-induced self-assembly of surfactants. The mesopore walls can be modify by a functionalization process, giving rise to functional materials. Sequential deposition of mesoporous films allows the synthesis of multilayered materials known as one-dimensional photonic crystals (PCs) with high porous network accessibility. When a noble metal layer is in contact with these PCs, a Tamm plasmon resonance is developed.
In this work, we explored the building of PCs and Tamm-based devices to evaluate their performance as liquids and gas sensors. The synthesis of these stacks of mesoporous films was performed using dip and spin coating techniques. Some of the parameters that control such processes were modified in order to obtain films with a wide variety of thicknesses and porosities. The structures obtained were characterized by ellipsometry, ellipsometric porosimetry and electron microscopy. From the optimization of the synthetic procedure to build PCs, optimal conditions for the synthesis and processing of Tamm plasmon-based devices were developed. The optical and structural properties of all the systems were analyzed using UV-Visible spectroscopy, TEM and SEM. At this stage, highly reflective PCs were obtained, with band gaps on the entire visible range. Tamm mode-devices were obtained by Au deposition on top of the PCs. To control the selectivity of these systems, an organic molecule was attached to the pore surface, modifying the layers’ hydrofilicity.
Finally, the sensing capacity of the devices was evaluated under two conditions: immersion in alcohols and exposure to solvents vapors. All tested systems were responsive to changes in the refractive index of the surrounding medium. From these measurements, sensing parameters such as sensibility, selectivity and response time were evaluate and Tamm plasmon devices resulted more efficient in vapor sensing.
To conclude, the results obtained in this work are a fundamental step towards the development of PCs and Tamm plasmon based optical sensors, with a good response both under vapors exposure and solvents immersion.

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