Application des techniques d`optique guidée à la

Aix Marseille Université – Faculté des Sciences
Numéro attribué par la bibliothèque :
THÈSE
Pour obtenir le grade de : DOCTEUR de Aix Marseille Université
Spécialité : Micro Nano-électronique
Préparée au laboratoire IM2NP, équipe OptoPV
Dans le cadre de l’Ecole Doctorale ED 353 – Sciences pour l’Ingénieur
Présentée par
Thomas Wood
Titre
Application des techniques d’optique guidée à la détection de gaz
Soutenue le 27 mars 2013 devant le jury composé de :
Nicole Jaffrezic
Rapporteur
Nicolas Guérineau
Rapporteur
Pierre Benech
Examinateur
Ludvik Martinu
Examinateur
François Flory
Directeur de Thèse
Judikaël Le Rouzo
Co-directeur de Thèse
Thomas Mazingue
Co-directeur de Thèse
Khalifa Aguir
Membre invité

Application des techniques d’optique guidée à la détection de gaz
Manuscrit de thèse – Thomas Wood – Aix Marseille Université
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Résumé : Dans un monde de plus en plus pollué par l’activité industrielle, la détection des
espèces gazeuses nocives dans l’atmosphère est d’une importance essentielle. Le marché des
capteurs de gaz est déjà bien développé, avec la présence de diverses technologies et principes de
détection, chacune présentant des avantages et des inconvénients intrinsèques. Dans le cadre de
cette thèse, un alliage entre deux ou plusieurs technologies de détection typiquement utilisées
de façon autonome a été visée, afin d’améliorer les performances globales des systèmes capteurs
ainsi formées. A ce fin, nous avons conçu et étudié des dispositifs capteurs basées sur la
transduction optique, couplée à un matériau sensible au gaz cible à détecter. Plus précisément,
nous avons intégré pour la première fois un matériau catalyseur pouvant accélérer le taux
d’oxydation des espèces chimiques (tel le monoxyde de carbone ou l’hydrogène) avec une
architecture optique capable d’absorber la chaleur cédée lors de cette oxydation.
L’augmentation de température occasionnée est traduite en une variation d’intensité lumineuse
constituante le signal de sortie du capteur. Les travaux effectués sur les mesures de la dispersion
thermique et chromatique de l’indice de réfraction des matériaux constituant le transducteur
optique par des techniques d’optique guidé, ellipsométrie et des techniques photométriques
sont présentés. Le sondage par moyen optique des propriétés électriques des matériaux
semiconducteurs a également été étudié, y compris les variations de ces propriétés en présence
des gaz oxydants, réducteurs et combustibles.
Mots Clefs : m-lines, modes guidés, dispersion chromatique, dispersion thermique, coefficient
thermo-optique, indice de réfraction, ellipsométrie, couches minces, capteur de gaz,
transduction optique, semiconducteur.
Summary : In a world suffering from increasing air pollution due to spiraling industrial activity,
the detection of toxic gasses in the atmosphere is of paramount importance. The gas detector
market is already well developed, and features a wide variety of detection technologies and
techniques, each presenting its own set of intrinsic advantages and drawbacks. In this thesis, a
combination of two or more technologies typically used independently has been studied in
order to improve the global performances of gas detection systems. To this length, we have
conceived and studied detector architectures based upon optical transduction systems, coupled
with a material presenting a specific sensitivity to the target gas. More precisely, we have for the
first time integrated a catalyst designed to accelerate the oxidation rate of chemical species (such
as carbon monoxide or hydrogen) with an optical component capable of absorbing the heat
generated by the oxidation reaction. The associated increase in temperature is translated to a
variation of the optical intensity comprising the exit signal of the detector. The work carried out
measuring the chromatic and temperature dispersion of the refractive index of the materials
comprising the optical transduction component by guided mode techniques, ellipsometry and
photometric techniques is presented. The optical probing of the electrical properties of
semiconductor materials has also been studied, including the variations of these properties
following interactions with oxidizing, reducing, or combustible gasses.
Key Words : m-lines, guided modes, chromatic dispersion, thermal dispersion, thermo-optic
coefficient, refractive index, ellipsometry, thin films, gas sensor, optical transduction,
semiconductor.

Application des techniques d’optique guidée à la détection de gaz
Manuscrit de thèse – Thomas Wood – Aix Marseille Université
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A toutes les personnes qui me sont chères…

Application des techniques d’optique guidée à la détection de gaz
Manuscrit de thèse – Thomas Wood – Aix Marseille Université
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Table des Matières
REMERCIEMENTS ET REFLEXIONS .............................................................................................6
INTRODUCTION GENERALE ........................................................................................................9
I – RECHERCHE TECHNOLOGIQUE .......................................................................................... 12
I.1 CONTEXTE GENERAL .......................................................................................................................... 12
I.1.1 Monoxyde de Carbone .......................................................................................................................... 12
I.1.2 Hydrogène ............................................................................................................................................. 14
I.1.3 Ozone ................................................................................................................................................... 15
I.2 ETAT DE L’ART SUR LES CAPTEURS DE GAZ ........................................................................................ 16
I.2.1 Etat de l’art des capteurs de Monoxyde de Carbone .............................................................................. 16
I.2.1 (a) Cellules électrochimiques .................................................................................................. 17
I.2.1 (b) Capteurs à base d’oxydes métalliques ............................................................................... 18
I.2.1 (c) Systèmes « microbalances » ................................................................................................. 21
I.2.1 (d) Détection par cathométrie ................................................................................................. 22
Capteurs Optiques de Monoxyde de Carbone ................................................................................................ 24
I.2.1 (e) Capteurs spectroscopiques ................................................................................................. 24
I.2.1 (f) Photo décomposition stimulée : ......................................................................................... 25
I.2.2 Etat de l’art des capteurs d’hydrogène ................................................................................................... 26
I.2.2 (a) Résistive : semiconducteur ................................................................................................. 26
I.2.2 (b) Résistive : dilatation mécanique ........................................................................................ 27
I.2.2 (c) Autres technologies ............................................................................................................ 28
Capteurs Optiques d’Hydrogène .................................................................................................................... 28
I.2.2 (d) Variation de transmittance ................................................................................................ 28
I.2.2 (f) Fibres optiques traitées ....................................................................................................... 29
I.2.2 (g) Plasmons de surface ............................................................................................................ 30
Conclusion et Spécifications du capteur PEPS : ............................................................................................. 31
I.2.3 Etat de l’art des capteurs d’ozone .......................................................................................................... 32
I.2.3 (a) Mesures résistives : semiconducteurs (oxydes métalliques) ............................................... 32
I.2.3 (b) Mesures du travail de sortie, Méthode « Kelvin ».............................................................. 33
I.2.3 (c) Capteurs spectroscopiques ................................................................................................. 34
I.2.3 (d) Variation de transmittance ................................................................................................ 34
Conclusion sur le marché des capteurs d’ozone ............................................................................................... 35
I.3 CONCLUSION DU CHAPITRE .............................................................................................................. 36
II – LE PROJET PEPS ..................................................................................................................... 37
II.1 PARTENAIRES ..................................................................................................................................... 37
II.2 POUDRES CATALYTIQUES .................................................................................................................. 38
II.2.1 Préparation des poudres d’Au/MOX .................................................................................................. 41
II.2.2 Caractérisation des poudres ................................................................................................................. 42
II.3 COMPOSANT PHOTONIQUE .............................................................................................................. 44
II.3.1 MMI (Interféromètre Multi-Mode) ...................................................................................................... 47
II.3.2 Réseau de Bragg .................................................................................................................................. 49
II.3.3 Interféromètre Mach Zehnder .............................................................................................................. 50
II.3.4 Commentaires sur les architectures optiques ........................................................................................ 51
II.4 INTEGRATION DE LA POUDRE ACTIVE .............................................................................................. 53
II.5 CONCLUSION DU CHAPITRE ............................................................................................................. 55

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Manuscrit de thèse – Thomas Wood – Aix Marseille Université
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III – TECHNIQUES DE MESURE DE L’INDICE DE REFRACTION COMPLEXE ..................... 57
III.1 L’INDICE DE REFRACTION COMPLEXE ............................................................................................. 57
III.2 M-LINES .............................................................................................................................................. 58
III.2.1 Principe des modes guidés ................................................................................................................... 58
III.2.1 (a) Interprétation géométrique d’un mode guidé ................................................................ 59
III.2.1 (b) L’équation des modes ..................................................................................................... 60
III.2.2 Coupleur à prisme : champ dans le faisceau réfléchi .......................................................................... 61
III.2.3 La répartition du champ électromagnétique dans une couche mince ................................................... 62
III.2.4 Principe des mesures m-lines ............................................................................................................... 64
III.2.5 Remarques sur les mesures m-lines ...................................................................................................... 68
III.3 PHOTOMETRIE .................................................................................................................................. 68
III.3 (a) Généralités des mesures photométriques .......................................................................... 68
III.3 (b) Coefficients de réflexion et transmission aux interfaces ................................................... 68
III.3 (c) Coefficients de réflexion et transmission d’un empilement à plusieurs couches ............. 70
III.3.1 ELLIPSOMETRIE .............................................................................................................................. 71
III.3.1 (a) Représentation des coefficients de réflexion pour l’ellipsométrie ................................. 73
III.3.1 (b) Traitement des données ellipsométriques ...................................................................... 74
III.3.1 (c) Modélisation de l’indice de réfraction complexe dans Winelli II.................................. 76
III.3.1 (d) Estimation des valeurs de départ des paramètres du modèle ........................................ 79
III.3.2 SPHERE INTEGRANTE .................................................................................................................... 80
III.3.2 (a) Présentation et protocole de mesure ............................................................................... 80
III.3.2 (b) Spécificités de mesures avec la sphère intégrante sur des couches minces .................... 82
III.3.2 (c) Coefficients de réflexion et transmission d’un empilement couche mince/substrat .... 83
III.3.2 (c) Interprétation du spectre de réflexion d’un empilement couche mince/substrat ........ 84
III.3.2 (d) Conditions d’interférence dans un empilement couche mince/substrat ..................... 85
III.3.2 (e) Cas du substrat fini .......................................................................................................... 86
III.3.3 ANGLE DE BREWSTER ................................................................................................................... 88
III.4 CONCLUSION DU CHAPITRE ............................................................................................................ 90
IV – CARACTERISATION OPTIQUE DES MATERIAUX DU PROJET PEPS ........................... 92
IV.1 GENERALITES DES MESURES ............................................................................................................ 92
IV.2 ECHANTILLONS CARACTERISES ....................................................................................................... 93
IV.3 PRINCIPE DES MESURES DE DISPERSION CHROMATIQUE ET THERMIQUE PAR M-LINES ................. 95
IV.4 DIFFICULTES ASSOCIEES AUX MESURES SUR DES EMPILEMENTS A FAIBLE CONTRASTE D’INDICE 96
IV.5 RESULTATS DES MESURES DE DISPERSION DE L’INDICE DE REFRACTION DES MATERIAUX
GUIDANT ET TAMPON ............................................................................................................................... 99
IV.5.1 Caractérisations lot 1 – empilement matériaux guidant / tampon sur silicium .................................. 99
IV.5.2 Caractérisations lot 2 – couches épaisses individuelles sur verre optique ........................................... 104
IV.5.3 Caractérisations lot 3 – couches minces individuelles sur verre optique ............................................ 107
IV.5.4 Caractérisations lot 4 – couches minces individuelles (composition variée) sur verre optique ............ 110
IV.6 DISCUSSION SUR LE COEFFICIENT THERMO-OPTIQUE MESURE ................................................... 112
IV.7 CONCLUSION DU CHAPITRE ......................................................................................................... 114
V. DETECTION OPTIQUE DE GAZ AVEC DES COUCHES MINCES ...................................... 115
V.1 GENERALITES ................................................................................................................................... 115
V.1.1 Configurations optimales du coupleur à prisme pour la détection de gaz ............................................ 115
V.1.2 Banc m-lines sous atmosphère contrôlée ............................................................................................. 117
V.1.2 (a) Calcul de la position angulaire d’une ligne de mode à partir d’une référence ............. 120
V.1.2 (b) Calcul du décalage d’une ligne de mode ....................................................................... 120