Optofluidic thin-film sensors prepared by Oblique Angle Deposition

Laburpena

El campo emergente de la Optofluídica presenta muchos retos y oportunidades para los métodos de fabricación nanotecnológicos tales como la deposición física en fase vapor a ángulo oblicuo (de sus siglas en inglés PVD-OAD). El objetivo de la presente tesis ha sido explorar las posibilidades de las láminas delgadas depositadas mediante PVD-OAD como sensores a través de la compresión de su respuesta Optofluídica. En la introducción de la tesis se hace un repaso a las tendencias y aplicaciones de las películas delgadas depositadas mediante PVD-OAD y se introduce el campo de la Optofluídica, incidiendo en el tema que ocupa la presente tesis, los sensores de índice de refracción mediante estructuras fotónicas. En el primer capítulo se presenta la fabricación de Microcavidades de Bragg (MB) porosas mediante PVD-OAD y su implementación en un dispositivo microfluídico para el análisis de líquidos. Este dispositivo se ha calibrado con distintas disoluciones validando su posible uso como sensor optofluídico. El segundo capítulo de la tesis presenta la fabricación de MBs con distintas microestructuras y se centra en la correlación entre las características estructurales y las propiedades ópticas. Para finalizar se analizan los efectos de infiltración con líquidos de las capas en las propiedades ópticas. En el tercer capítulo se aplican las propiedades optofluídicas de las MBs microestructuradas desenmarañadas en los dos primeros capítulos y se presentan sus distintas posibilidades sensoras para el análisis de líquidos. Por último, el cuarto capítulo saca partido de las propiedades fotónicas de las Microcavidades de Bragg analizando líquidos coloreados cuya absorción se localiza en una zona del espectro. A continuación se enumeran y resumen los logros y conclusiones obtenidos a partir del trabajo desarrollado durante la tesis. • En esta tesis se han fabricado Microcavidades de Bragg (MB) planares a ángulo de deposición oblicuo (PVD-OAD) mediante evaporación electrónica, consistentes en el apilamiento sucesivo de capas de dos óxidos (SiO2 y TiO2) con índices de refracción diferentes. • Con el objetivo de minimizar la dispersión de luz y de fabricar diferentes microestructuras (inclinadas, zigzag, quirales y verticales), se ha desarrollado una estrategia consistente en girar el sustrato azimutalmente. • La alta porosidad de las MBs ha permitido su integración como parte de un dispositivo microfluídico en el que los líquidos se infiltran y circulan a través de la porosidad de estas estructuras. Además, este dispositivo permite el análisis óptico de los líquidos infiltrados en la MB. • Se ha demostrado que una de las características estructurales asociadas al crecimiento PVD-OAD, el apilamiento lateral de nanocolumnas, puede ser modificada para desarrollar MB ópticamente activas que actúen como retardadores ópticos. • Se ha modulado el carácter retardador de las MB mediante la infiltración de líquidos y se ha verificado el posible uso de este dispositivo tanto como para detector la orientación del plano de polarización de la luz como para el análisis de líquidos integrado en un sistema microfluídico. • Las MBs se han usado para analizar disoluciones de líquidos siguiendo características ópticas diferentes como son i) medir la posición del pico resonante; ii) medir la transmitancia a una longitud de onda concreta y iii) inclinando la estructura fotónica cierto ángulo con respecto a la luz incidente para devolver el máximo de intensidad del pico resonante a su longitud de onda inicial. Además, se ha confirmado la variación de la actividad óptica con el índice de refracción del líquido infiltrado en la MB zigzag. • Se han infiltrado MBs de defectos ópticos grandes con líquidos coloreados y se ha encontrado una absorción exaltada que se atribuye a efectos de localización de campo eléctrico en la estructura fotónica. Esto se manifiesta mediante un incremento aparente del coeficiente de extinción del colorante y en su n(λ) asociado, el cual a su vez provoca un desacoplamiento de las posiciones de los picos resonantes. • Se ha confirmado la validez de los resultados experimentales obtenidos durante el desarrollo de la tesis reproduciéndolos mediante simulaciones. • El pequeño volumen necesario para infiltrar la MB avala la implementación de la tecnología desarrollada en un sistema microfluídico complejo donde podrá aportar un método de análisis simple y fiable. De la misma forma, podrían usarse como componentes optofluídicos reconfigurables en aplicaciones fotónicas.