Development of high sensitivity photonic sensing structures based on porous silicon substrates

Abstract

La salud y el bienestar siempre han sido el centro de atención de muchas instituciones de investigación y empresas de todo el mundo. Esto llevó a la tecnología a desarrollarse en los campos químico, biológico, médico y clínico con el objetivo de proporcionar una mejor protección al ser humano. Como consecuencia, ha surgido una competición entre el tiempo necesario para que la enfermedad progrese y el tiempo necesario para que el hombre trate dicha enfermedad. Para ganar esta competición, es necesario actuar con anticipación, cuando la enfermedad aún no está demasiado desarrollada. Esto es posible realizando una detección precoz de la enfermedad. El logro de este objetivo allana el camino para el desarrollo de dispositivos ópticos de biosensado capaces de detectar la presencia de ciertas moléculas en concentraciones extremadamente bajas. Entre ellos, las estructuras integradas fotónicas están teniendo un gran éxito debido a su considerablemente alta sensibilidad. Sin embargo, el mecanismo de detección de estas estructuras se basa en la interacción entre la onda evanescente, que se propaga a lo largo de la superficie de la estructura, y el analito a detectar. De esta forma, no todo el campo que se propaga en la estructura fotónica se usa con fines de detección, sino solo una pequeña cantidad de éste. Esto representa una limitación crucial de los sensores basados en fotónica integrada.

El objetivo de esta tesis doctoral es superar esta limitación y desarrollar estructuras fotónicas de sensado más sensibles que sean capaces de detectar las concentraciones más bajas posibles. Con este objetivo, nos centramos en el estudio del silicio poroso como plataforma para el desarrollo de estructuras ópticas con sensibilidades extremadamente altas gracias a que la interacción de sensado se realiza directamente dentro de la propia estructura, lo que permite explotar todo el campo que se propaga.

Health and well-being have always been the center of attention of many research institutions and companies around the world. This led the technology to develop in the chemical, biological, medical and clinical fields with the aim to provide a better protection to the human being. As a consequence, a competition is born between the time necessary to the disease to progress and the time necessary to man to treat such disease. In order to win this competition, it is necessary to act with anticipation, when disease is not too developed yet. This is possible by performing an early-detection. The achievement of this goal paves the way for the development of optical biosensing devices able to detect the presence of certain molecules at extremely low concentrations. Among them, photonic integrated structures are finding a great success due to their considerably high sensitivity. However, the sensing mechanism of these structures is based on the interaction between the evanescent wave, propagating along the structure surface, and the target analyte to detect. In this way, not all the field propagating in the photonic structure is used for sensing purposes, but rather only a small amount of it. This represents a crucial limitation of the integrated photonics based sensors.

The aim of this PhD Thesis is to overcome this limitation and to develop more sensitive photonic sensing structures able to detect the lowest concentration possible. To this aim, we focused on the study of porous silicon as platform for the development of optical structures with extremely high sensitivities thanks to the fact that the sensing interaction takes place directly inside the structure itself, allowing to exploit all the field propagating in the structure.

La salut i el benestar sempre han sigut el centre d'atenció de moltes institucions de recerca i empreses de tot el món. Açò va portar a la tecnologia a desenvolupar-se en els camps químic, biològic, mèdic i clínic amb l'objectiu de proporcionar una millor protecció a l'ésser humà. Com a conseqüència, ha sorgit una competició entre el temps necessari per que la malaltia progresse i el temps necessari per que l'home tracte aquesta malaltia. Per a guanyar aquesta competició, és necessari actuar amb anticipació, quan la malaltia encara no està massa desenvolupada. Açò és possible realitzant una detecció precoç de la malaltia. L'assoliment d'aquest objectiu facilita el camí per al desenvolupament de dispositius òptics de biosensat capaços de detectar la presència de certes molècules en concentracions extremadament baixes. Entre ells, les estructures fotòniques integrades estan tenint un gran èxit a causa de la seua considerablement alta sensibilitat. No obstant açò, el mecanisme de detecció d'aquestes estructures es basa en la interacció entre l'ona evanescent, que es propaga al llarg de la superfície de l'estructura, i l'analit a detectar. D'aquesta forma, no tot el camp que es propaga en l'estructura fotònica s'usa amb finalitats de detecció, sinó solament una xicoteta quantitat d'aquest. Açò representa una limitació crucial dels sensors basats en fotònica integrada.

L'objectiu d'aquesta tesi doctoral és superar aquesta limitació i desenvolupar estructures fotòniques de sensat més sensibles que siguen capaces de detectar les concentracions més baixes possibles. Amb aquest objectiu, ens centrem en l'estudi del silici porós com a plataforma per al desenvolupament d'estructures òptiques amb sensibilitats extremadament altes gràcies a que la interacció de sensat es realitza directament dins de la pròpia estructura, el que permet explotar tot el camp que es propaga.