Faculté des sciences

Integration of organic optoelectronic : devices for biosensing applications

Ramuz, Marc ; Seitz, Peter (Dir.)

Thèse de doctorat : , 2009 ; Th. 2126.

L'intégration de composants optoélectroniques organiques – tels que les diodes électroluminescentes (DEL) organique et les photodiodes (PD) organiques – sur des biopuces est étudiée. La bio-puce se décompose en un substrat de verre, un guide d'onde monomode et un réseau de diffraction optique pour coupler hors du guide la lumière. La nature soluble des composants de l'électronique... Plus

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    Résumé
    L'intégration de composants optoélectroniques organiques – tels que les diodes électroluminescentes (DEL) organique et les photodiodes (PD) organiques – sur des biopuces est étudiée. La bio-puce se décompose en un substrat de verre, un guide d'onde monomode et un réseau de diffraction optique pour coupler hors du guide la lumière. La nature soluble des composants de l'électronique organique permet une déposition des DEL et des PD organique par des procédés additifs tels que l'impression par jet d'encre. Ce procédé est compatible avec l'impression en grande production du type presse typographique; ce qui peut contribuer à la fabrication de capteurs biologiques miniatures peu chers. Le couplage évanescent est utilisé pour injecter la lumière d'un émetteur organique Lambertien dans un guide d'onde monomode. Soit une DEL organique est déposée directement sur le guide d'onde; ou une DEL organique – située de l'autre côté du substrat – pompe une couche photoluminescente située directement sur le guide d'onde. Dans la première configuration, grâce de la proximité du guide d'onde, la zone d'émission de la DEL organique se superpose avec le mode du guide d'onde. Ainsi, la diode organique peut directement exciter le mode. L'ajout d'une couche d'espacement entre la diode organique et le guide d'onde a engendré une amélioration de l'efficacité de couplage par un facteur 5. Pour une DEL à base d'iridium, une efficacité de couplage – de la DEL organique dans le guide d'onde – de l'ordre de 3.2% a été obtenue. La seconde configuration, utilisant un matériau photoluminescent, présente plusieurs avantages tel que la plus grande simplicité de production ou l'augmentation de l'intensité de la lumière couplée dans le guide d'onde. Le mécanisme de couplage repose sur l'excitation direct du mode du guide d'onde par un champ évanescent généré par la couche photoluminescente. En résumé, les deux configurations sont basées sur le couplage évanescent, mais ce champ évanescent est généré par une excitation électrique ou optique selon la première ou la seconde configuration envisagée. Au niveau du réseau de sortie, un mini spectromètre organique compatible avec une intégration monolithique sur des capteurs biologiques a été développé. Ceci consiste en un guide d'onde monomode équipé d'un réseau de diffraction intégré et d'une juxtaposition à forte densité de PD organique en tant que détecteur optique. Ce mini spectromètre organique représente une partie importante pouvant être utilisé pour les capteurs biologiques et / ou chimiques jetables et peu chers. Une résolution spectrale de 5 nm a été atteinte avec ce système optoélectronique intégré. Finalement, un test d'absorption biologique – utilisant cette plateforme à base de composants optiques organiques – a été réalisé avec succès. Une version de ce système de mesure a été intégré avec un système résonant – basé sur les plasmons de surface – permettant d'ouvrir la route vers des capteurs et / ou puces biologique très sensibles et peu chers.
    Summary
    The integration of organic optoelectronic devices – such as polymer light emitting diodes (PLEDs) and polymer photodiodes (PPDs) – onto a biochip is investigated. The biochip consists of a glass substrate, a planar single-mode waveguide and an optical grating to outcouple the guided light. Solution-processing of organic electronic devices allow to deposit PLEDs and PPDs by additive processes such as ink-jet printing, for example. This processing is compatible with roll-to-roll production and could contribute to the cost-effective fabrication of miniaturized biosensors. Evanescent coupling is used to couple light from an organic Lambertian emitter into the single-mode waveguide. Either a PLED is deposited right on top of the waveguide; or a PLED – located on the backside of the substrate – pumps a photoluminescent (PL) material layer located directly on top of the waveguide. In the first configuration, due to the waveguide’s proximity, the emission zone of the PLED and the waveguide mode overlap substantially, so that the PLED can directly excite the mode. An additional spacer layer between PLED and waveguide is shown to improve the coupling efficiency by about a factor of 5. For iridium-based diodes, PLED-to-waveguide coupling efficiencies as high as 3.2% have been obtained. The second configuration, using a PL material, offers several advantages such as facilitating the production process or improving the coupled light intensity. The coupling mechanism relies on direct excitation of the waveguide mode by the evanescent field of the co-planar PL material. In summary, both configurations are based on evanescent field coupling, but in the first and second configuration, the evanescent field is generated by electrical and optical excitation, respectively. At the out-coupling grating stage, a fully organic mini-spectrometer compatible with monolithic integration on optical biochips has been developed. It consists of a single-mode waveguide with integrated diffraction grating and a dense array of PPDs as sensing element. An organic mini-spectrometer represents an important building block for disposable low-cost bio- and chemical sensors. A spectral resolution of down to 5 nm could be achieved with an integrated optoelectronic system. Finally, absorption-based bio-tests with fully organic optical devices were demonstrated. The different building blocks were integrated in a resonant system – based on surface plasmon resonance – which opens the route toward sensitive, cost-effective and disposable lab-on-achip biosensors.