L'objectiu del treball inclòs en aquesta Tesi Doctoral és el desenvolupament de noves
estratègies per a la fabricació senzilla i de baix cost de components fotònics polimèrics
i la seva integració en dispositius lab‐on‐chip fotònics (PhLoC). Per a això, es van
desenvolupar materials polimèrics híbrids orgànics‐inorgànics amb un esquelet d'òxid
de silici, mitjançant la tecnologia sol‐gel, i es van fabricar microestructures d'aquests
materials usant tècniques de microfabricació senzilles i de baix cost. Diferents
monòmers van ser triats seleccionats i inclosos en diverses formulacions sol‐gel.
Aquestes molècules modulen no només les propietats físic‐químiques dels materials
resultants, tals com la seva flexibilitat, porositat o hidrofobicitat, sinó també les seves
propietats òptiques tals com la transparència o l'índex de refracció. Així mateix, els
materials desenvolupats van ser dopats amb molècules colorants i fluorescents amb la
finalitat de controlar les seves propietats espectrals. El microestructurat del material
híbrid resultant es va dur a terme usant tècniques no fotolitogràfiques incloses en les
trucades tècniques de litografia tova (de l'anglès soft lithography). Treballant amb
aquests materials i aplicant senzills processos de fabricació, es van desenvolupar
components fotònics polimèrics, els quals poden integrar‐se en dispositius lab‐on‐chip
amb la finalitat de desenvolupar eines d'anàlisis compactes amb el potencial de ser
aplicades en estudis descentralitzats per al control mediambiental o diagnòstic precoç
de malalties.
El manuscrit es divideix en set capítols. En el capítol I, es realitza una introducció
general als conceptes principals necessaris per a una millor comprensió de la
tecnologia sol‐gel, la síntesi de materials híbrids orgànics‐inorgànics i la seva aplicació
en òptica i la fotònica. Igualment, es descriuen les diferents tècniques aplicades pel
microestructurat d'aquests materials i, per finalitzar, s'introdueixen els dispositius labon‐
chip (LoC) i el concepte de PhLoC, que inclou components diferents, relacionats
amb la micro‐òptica i l'òptica integrada. Aquest capítol va seguit de cinc capítols més
que mostren el treball experimental dut a terme i descriuen els resultats experimentals
obtinguts. Com a últim capítol, en el capítol VII es destaquen les principals conclusions
extretes d'aquest treball.
El capítol III se centra en el disseny i la síntesi de dos materials híbrids dopats amb
fluoròfors i el seu microestructurat mitjançant una tècnica de litografia tova
denominada micromodelat en capil∙lars. Es va realitzar una caracterització
fisicoquímica exhaustiva dels materials resultants i de la seva resposta espectral. Es va
realitzar el processament en un sol pas de microestructures d'aquests materials, amb
diferents geometries i relacions d'aspecte i, al seu torn es van demostrar les seves
excel∙lents propietats òptiques. A més, aquest capítol mostra que aquests materials
són robusts i molt adequats per a la fabricació d'emissors de llum d'estat sòlid d'un sol ús, i d'altres components fotònics per a òptica integrada. En els capítols experimentals
següents, es recull l'avaluació òptica de components polimèrics fotònics, i la seva
posterior integració en dos dispositius PhLoC diferents. El capítol III mostra la
fabricació, caracterització i implementació en un PhLoC basat en estructures *PDMS
vidre, de diferents microfiltres fabricats amb els materials híbrids dopats amb
colorants que absorbeixen en diferents zones de l'espectre visible. El capítol V
presenta el disseny, la fabricació i el funcionament d'un emissor de llum blava fabricat
emprat un material híbrid sol‐gel dopat amb un fluoròfor i seguint els procediments
experimentals descrits en els capítols anteriors. El capítol VI descriu el treball realitzat
en la integració d'aquest emissor en un altre dispositiu PhLoC fabricat en PDMS i vidre,
el qual es va aplicar posteriorment en la fabricació d'un biosensor per a la detecció
d'un analit modelo. El capítol VII explora altres materials híbrids basats en matrius de
xerogel dopats amb punts quàntics, així com una tècnica de *micro‐/nanofabricació
alternativa, la litografia per nanoimpresión tèrmica, per a l'estructurat dels polímers
híbrids presentats en els capítols anteriors. / El objetivo del trabajo incluido en esta Tesis Doctoral es el desarrollo de nuevas
estrategias para la fabricación sencilla y de bajo costo de componentes fotónicos
poliméricos y su integración en dispositivos fotónicos lab‐on‐chip (PhLoC). Para ello, se
desarrollaron materiales poliméricos híbridos orgánicos‐inorgánicos con un esqueleto
de óxido de silicio, mediante la tecnología sol‐gel, y se fabricaron microestructuras de
estos materiales usando técnicas de microfabricación sencillas y de bajo coste.
Diferentes monómeros fueron elegidos seleccionados e incluidos en varias
formulaciones sol‐gel. Estas moléculas modulan no sólo las propiedades físicoquímicas
de los materiales resultantes, tales como su flexibilidad, porosidad o
hidrofobicidad, sino también sus propiedades ópticas tales como la transparencia o el
índice de refracción. Asimismo, los materiales desarrollados fueron dopados con
moléculas colorantes y fluorescentes con el fin de controlar sus propiedades
espectrales. El microestructurado del material híbrido resultante se llevó a cabo
usando técnicas no fotolitográficas incluidas en las llamadas técnicas de litografía
blanda (del inglés soft lithography). Trabajando con estos materiales y aplicando
sencillos procesos de fabricación, se desarrollaron componentes fotónicos poliméricos,
los cuales pueden integrarse en dispositivos lab‐on‐chip con el fin de desarrollar
herramientas de análisis compactas con el potencial de ser aplicadas en estudios
descentralizados para el control medioambiental o diagnóstico precoz de
enfermedades.
El manuscrito se divide en siete capítulos. En el capítulo I, se realiza una introducción
general a los conceptos principales necesarios para una mejor comprensión de la
tecnología sol‐gel, la síntesis de materiales híbridos orgánicos‐inorgánicos y su
aplicación en óptica y la fotónica. Igualmente, se describen las diferentes técnicas
aplicadas para el microestructurado de estos materiales y, para finalizar, se introducen
los dispositivos lab‐on‐chip (LOC) y el concepto de PhLoC, que incluye componentes
diferentes, relacionados con la microóptica y la óptica integrada. Este capítulo va
seguido de la definición de los objetivos más otros cinco capítulos que muestran el
trabajo experimental llevado a cabo y describen los resultados experimentales
obtenidos. Como último capítulo, en el capítulo VIII se destacan las principales
conclusiones extraídas de este trabajo.
El capítulo III se centra en el diseño y la síntesis de dos materiales híbridos dopados
con fluoróforos y su microestructurado mediante una técnica de litografía blanda
denominada micromodelado en capilares. Se realizó una caracterización fisicoquímica
exhaustiva de los materiales resultantes y de su respuesta espectral. Se realizó el
procesado en un solo paso de microestructuras de estos materiales, con diferentes
geometrías y relaciones de aspecto y, a su vez se demostraron sus excelentes propiedades ópticas. Además, este capítulo muestra que estos materiales son robustos
y muy adecuados para la fabricación de emisores de luz de estado sólido desechables,
y de otros componentes fotónicos para óptica integrada. En los capítulos
experimentales siguientes, se recoge la evaluación óptica de componentes poliméricos
fotónicos, y su posterior integración en dos dispositivos PhLoC diferentes. El capítulo IV
muestra la fabricación, caracterización e implementación en un PhLoC basado en
estructuras PDMS vidrio, de diferentes microfiltros fabricados con los materiales
híbridos dopados con colorantes que absorben en diferentes zonas del espectro
visible. El capítulo IV presenta el diseño, la fabricación y el funcionamiento de un
emisor de luz azul fabricado empleado un material híbrido sol‐gel dopado con un
fluoróforo y siguiendo los procedimientos experimentales descritos en los capítulos
anteriores. El capítulo VI describe el trabajo realizado en la integración de este emisor
en otro dispositivo PhLoC fabricado en PDMS y vidrio, el cual se aplicó posteriormente
en la fabricación de un biosensor para la detección de un analito modelo. El capítulo
VII explora otros materiales híbridos basados en matrices de xerogel dopados con
puntos cuánticos, así como una técnica de micro‐/nanofabricación alternativa, la
litografía por nanoimpresión térmica, para el estructurado de los polímeros híbridos
presentados en los capítulos anteriores. / The aim of the work included in this PhD Thesis was the development of new
strategies for the simple and low‐cost fabrication of polymeric photonic components
and their integration in photonic lab‐on‐chip (PhLoC) devices. For that, tailor‐made
silicon based hybrid organic‐inorganic polymeric materials were developed by the solgel
technology and patterned using simple and cost‐effective microfabrication
techniques. Different monomers were carefully chosen and included in several sol‐gel
polymer formulations. These molecules influenced not only the physicochemical
properties of the resulting materials such as their flexibility, porosity or hydrophobicity
but also tuned their optical properties such as transparency or refractive index. Also,
the developed materials were easily doped with colored and fluorescent dyes in order
to modulate their spectral properties. Patterning of the resulting hybrid polymer was
carried out using simple and cost‐effective non‐photolithographic approaches included
in the so‐called soft lithography techniques. Working with these materials and applying
simple patterning processes enabled the fabrication of photonic components, which
could be integrated in lab‐on‐chip systems in order to develop compact analytical tools
with the potential to be applied in decentralized studies for environmental monitoring
or point‐of‐care diagnostics.
The manuscript is divided into seven chapters. In Chapter I, a general introduction to
the main concepts for better understanding the sol‐gel technology, the synthesis of
organic‐inorganic hybrid materials and their application in optics and photonics. A
description of the different techniques applied for the patterning of these materials is
also given to end up with the introduction of the lab‐on‐chip (LoC) concept and the
PhLoC approach, which includes different components, related to micro‐optics and
integrated optics. This chapter is followed by the definition of the objectives and five
more chapters that extensively explain the experimental work carried out and
thoroughly describe the experimental results achieved. As a final chapter, Chapter VIII
highlights the main conclusions drawn from this work.
Chapter III is focused on the design and synthesis of two different fluorophore doped
hybrid materials and their patterning by micromolding in capillaries soft lithographic
technique. An exhaustive physicochemical characterization of materials, and their
spectral response was carried out. The one‐step processing of these materials,
showing different geometries and aspect ratios was successfully carried out, and in
turn their excellent optical performance demonstrated. Additionally, this chapter
demonstrates that this type of materials is robust and highly suitable for the
fabrication of disposable solid‐state light emitting devices, and by extension, other
photonic components for integrated optics. In the following experimental chapters,
the fabrication and optical assessment of specific polymeric photonic components,
which were then integrated in two different PhLoCs is presented. Chapter IV shows the fabrication, characterization and implementation in a glass‐PDMS PhLoC, of different
colored dye‐doped hybrid polymeric micro‐filters whose absorbance behavior covers
different wavelength ranges of the visible spectrum. Chapter V shows the design,
fabrication and performance of a fluorophore‐doped polymeric blue‐light emitter
fabricated following the experimental procedures described in previous chapters.
Chapter VI describes the work carried out on the integration of this emitter in another
glass/ PDMS PhLoC device, which was further applied as a biosensor approach for the
detection of a model target analyte. Chapter VII explores other hybrid materials based
on quantum dot doped xerogel matrices, as well as an alternative micro‐
/nanofabrication technique, the thermal nanoimprint lithography, for the patterning of
the hybrid polymers presented in the previous chapters.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UAB/oai:www.tdx.cat:10803/117601 |
| Date | 16 November 2012 |
| Creators | Carregal Romero, Ester |
| Contributors | Llobera Adan, Andreu, Fernández Sánchez, César, Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química |
| Publisher | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Source Sets | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | 121 p., application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. |
Page generated in 0.008 seconds