Thèse soutenue

Capteur d'ions lourds métalliques à base de micro-lasers organiques

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Auteur / Autrice : Sergii Lozenko
Direction : Joseph Zyss
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences physiques
Date : Soutenance le 04/11/2011
Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
Jury : Examinateurs / Examinatrices : Étienne Gaviot, Werner J. Blau, Isabelle Leray, Mélanie Lebental
Rapporteurs / Rapporteuses : Yong Chen, Henri Benisty

Mots clés

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Résumé

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Le contrôle des polluants environnementaux présents à faible concentration a conduit à la création de détecteurs miniaturisés, à bas coûts et ultra-sensibles, capables d’identifier spécifiquement certaines substances. Dans cette thèse, la méthode de détection explorée repose sur la sensibilité de micro-lasers polymères à une variation d’indice de réfraction. Cette approche a été mise en application pour détecter des métaux lourds (mercure – Hg2+, cadmium – Cd2+ et plomb – Pb2+) dans l’eau potable. En effet les fréquences de résonance de ces micro-cavités sont particulièrement sensibles à l’indice de réfraction du milieu extérieur et se déplacent lorsque celui-ci est modifié. Ce système permet ainsi une détection sans marqueur (« label ») en recouvrant la cavité d’une couche de reconnaissance spécifique de l’espèce recherchée. L’originalité de ce travail repose sur l’utilisation de micro-cavités actives, ou micro-lasers, fabriquées avec des polymères dopés par des colorants lasers. En effet les micro-lasers permettent d’augmenter le rapport signal/bruit et de profiter de pics de résonance étroits, même pour des facteurs de qualité de l’ordre de quelques milliers seulement. Le choix de matériaux organiques comme milieu à gain a été dicté par les nombreux avantages qu’ils offrent. Contrairement aux semi-conducteurs inorganiques, les polymères peuvent être fonctionnalisés de manière relativement aisée et l’utilisation de matériaux poreux devrait augmenter la sensibilité en faisant circuler le fluide à tester à l’intérieur même du résonateur. De plus le protocole de fabrication des micro-lasers organiques reste d’un coût modéré et permet une intégration aisée en micro-fluidique. Deux voies différentes ont été explorées dans cette thèse : détection d’une variation d’indice de réfraction avec des cavités non-fonctionnalisées et détection d’ions lourds avec des cavités fonctionnalisées. Dans le premier cas, la sensibilité obtenue est comparable à ce qui est publié pour des micro-résonateurs passifs. Dans le second cas, nous avons réussi à mettre en évidence la présence d’ions mercure jusqu’à 10-6 M. Quelques approches ont été envisagées pour diminuer encore le seuil de détection dont certaines ont été vérifiées expérimentalement. Ainsi, cette étude propose un prototype de composant sur puce pour la détection d’espèces chimiques ou biologiques.