Development of a new chemical sensor based on plasma polymerized polypyrrole films

Abstract

La present tesis contribueix a donar una nova visió dins de l'àrea de modificació de superfícies, la qual implica la nanoestructuració de substrats fent servir la tècnica d'auto-assemblatge per a dipositar sobre aquests un polímer conductor mitjançant deposició química en fase vapor per plasma. L'ús de polímers conductors ha despertat un creixent interès en el desenvolupament de sensors químics per a l'anàlisi de gasos en aplicacions d'enginyeria electrònica. La contínua reducció de mida en aquests dispositius ha encoratjat la proposta d'un mètode alternatiu per aconseguir estructures de rang nanomètric, així com per solucionar problemes com la falta d'adherència entre substrat i polímer, disminuir els límits de detecció o escurçar els temps de resposta.<br/><br/>En aquesta investigació s'ha treballat amb monocapes amb un grup pirrol terminal per tal de potenciar la nucleació i creixement de pel·lícules de polipirrol polimeritzades mitjançant plasma. A més, les monocapes han aportat millores en l'adhesió interfacial de l'estructura polímer/metall. Així mateix, s'han dopat les pel·lícules primes de polipirrol per tal d'obtenir la seva forma conductora, les propietats elèctriques de les quals permeten utilitzar-ho com a sensor químic. La seva exposició a un vapor comporta canvis en la conductivitat del polímer, a través dels quals es pot identificar i quantificar l'esmentat analit.<br/><br/>L'auto-assemblatge i la deposició del polímer són els factors claus en aquesta investigació. Per tant, s'han utilitzat diverses tècniques de caracterització de superfícies com XPS, TOF-SIMS, FT-IR o SEM, per estudiar les seves propietats físiques i químiques. Igualment, l'ús de l'AFM ha estat de gran ajut per investigar el procés de nucleació i la topografia de les pel·lícules. A més, la tècnica de les quatre puntes ha proporcionat una excel·lent eina per realitzar mesures de conductivitat a les pel·lícules primes. Finalment, les pel·lícules polimeritzades per plasma han mostrat una gran sensibilitat al diòxid de carboni, demostrant la seva capacitat per ser utilitzades com a sensors químics.

La presente tesis contribuye a dar una nueva visión dentro del área de modificación de superficies, la cual implica la nanoestructuración de sustratos utilizando la técnica de auto-ensamblado para depositar sobre éstos un polímero conductor mediante deposición química en fase vapor por plasma. El uso de polímeros conductores ha despertado un creciente interés en el desarrollo de sensores químicos para el análisis de gases en aplicaciones de ingeniería electrónica. La continua reducción de tamaño en estos dispositivos ha alentado la propuesta de un método alternativo para conseguir estructuras de rango nanométrico, así como para solucionar problemas tales como la falta de adherencia entre sustrato y polímero, disminuir los límites de detección o acortar los tiempos de respuesta.<br/><br/>En esta investigación se ha trabajado con monocapas con un grupo pirrol terminal para potenciar la nucleación y crecimiento de películas de polipirrol polimerizadas mediante plasma. Además, las monocapas han aportado mejoras en la adhesión interfacial de la estructura polímero/metal. Asimismo, se han dopado las películas delgadas de polipirrol para obtener su forma conductora, cuyas propiedades eléctricas permiten utilizarlo como sensor químico. Su exposición a un vapor conlleva cambios en la conductividad del polímero, a través de los cuales se puede identificar y cuantificar dicho analito.<br/><br/>El auto-ensamblaje y la deposición del polímero son los factores claves en esta investigación. Por lo tanto, se han utilizado diversas técnicas de caracterización de superficies, como XPS, TOF-SIMS, FT-IR o SEM, para estudiar sus propiedades físicas y químicas. Igualmente, el uso del AFM ha sido de gran valor para investigar el proceso de nucleación y la topografía de las películas. Además, la técnica de las cuatro puntas ha proporcionado una excelente herramienta para realizar medidas de conductividad en películas delgadas. Finalmente, las películas polimerizadas por plasma han mostrado una gran sensibilidad al dióxido de carbono, con lo cual han demostrado su capacidad para ser utilizados como sensores químicos.

This thesis contributes a new insight into surface modification involving substrates nanostructuration by self-assembly to deposit on them a conducting polymer through plasma enhanced chemical vapor deposition. The use of conducting polymers has gained growing interest in the development of chemical sensor arrays for gas analysis in electronic engineering applications. The size reduction in these devices has encouraged the proposal of an alternative method to achieve structures at nanometer range, as well as overcoming problems like lack of adhesion between substrate and polymer, lower limits of detection or shorten response times.<br/><br/>The investigation has dealt with the use of pyrrole terminated monolayers to enhance the nucleation and growth of polypyrrole plasma polymerized films. In addition, monolayers provide an improvement in the interfacial adhesion of the polymer/metal structure. Furthermore, polymeric thin films have been doped to obtain the conducting form of polypyrrole, of which electric properties enable to use it as a chemical sensor. Exposure to vapors leads to changes in polymer conductivity, by which analytes can be identified and quantified.<br/><br/>Self-assembly and polymer deposition are key factors in this research, as a consequence surface characterization techniques, such as XPS, TOF-SIMS, FT-IR or SEM, have been employed to study their physical and chemical characteristics. Especially interesting have been the use of AFM to investigate the nucleation process and the film topography. Moreover, the four-point probe technique has provided an excellent tool to perform conductivity measurements on thin films. Besides, plasma polymerized films have shown a high sensitivity to carbon dioxide in order to demonstrate their aptitudes to be utilized as a chemical sensor.