3.3 ─ Etude de la sensibilité des capteurs en fonction de l’épaisseur de la couche métallique

La réponse d’un capteur SPR en configuration de Kretschmann, qu’elle soit à base d’un prisme ou d’une fibre optique, est dépendante de plusieurs paramètres détaillés au chapitre I. En particulier, comme le montre la relation de couplage, la nature, l’épaisseur et la structure (rugosité) de la couche métallique auront un impact significatif sur la réponse de la zone sensible. Dans cette section, nous analysons expérimentalement l’impact de l’épaisseur du métal et de sa nature (Argent ou Or) sur la sensibilité du capteur. Dans la suite de ce chapitre, sauf indication contraire, auront toujours été fixée la longueur sensible L autour de 20 (±1) mm et le diamètre du cœur de la fibre à 400 µm. Quant aux indices de réfraction des solutions tests, ils ont été mesurés à l’aide d’un réfractomètre d’Abbé.

a - Couche métallique d’argent

Dans un premier temps, nous présentons sur la figure III.10 les courbes des réponses

res

n

s

λ

− qui relient la longueur d’onde de résonance

λ

_res à l’indice de réfraction correspondant . Les valeurs de

s

n

λ

_res (cf. figure III.7) correspondant au minimum de transmission, sont déterminées après traitement des spectres à l’aide du logiciel « Origin 6.1 ». Ce traitement consiste simplement à effectuer le calcul de la dérivée de la courbe de résonance et à en extraire la valeur de

λ

_res pour laquelle la dérivée est nulle. Sur la figure III.10 nous présentons trois courbes

λ

_res en fonction de ns pour plusieurs valeurs de l’épaisseur du film d’Argent.

1,34 1,36 1,38 1,40 1,42 1,44 500 600 700 800 900 1000 1100 73 nm 50 nm 28 nm λres [ n m ]

Indice de réfraction [RIU]

Figure III.10 : Variation de la longueur d’onde λres en fonction de l’indice de réfraction ns pour des

Sur cette figure (figure III.10) il apparaît clairement que la sensibilité du capteur évolue en fonction de la gamme d’indices étudiés, point sur lequel nous reviendrons dans la suite de ce chapitre. Le second point sur lequel nous reviendrons est le décalage vers les faibles énergies (vers le rouge) de

λ

_res à mesure que l’épaisseur du métal augmente. En particulier, nous constatons un déplacement du pic de résonance de 126 nm lorsque l’épaisseur de la couche métallique passe de 28 à 73 nm pour un indice de 1,3981. L’étude numérique du chapitre IV confirmera cette tendance que nous tenterons d’expliquer.

Avec ces mesures, nous avons reporté dans le tableau III.2 le décalage ∆

λ

_res pour les différentes épaisseurs. Nous pouvons remarquer que ce décalage est plus important pour les fines épaisseurs que pour des couches « épaisses ». Par exemple, avec un indice de 1,3981 et une épaisseur de dépôt de 50 nm, le décalage spectral est de 46 nm avec une augmentation d’épaisseur de 23 nm, alors qu’il est de 80 nm pour une diminution de 22 nm (Tableau III.2).

Tableau III.2 : Comparatif des λres en fonction de l’épaisseur de la couche d’argent déposée sur la zone

sensible du capteur.

épaisseur (d)

λ

_res ∆

d

∆

λ

_res

28 nm 649 nm

22 nm 80 nm

50 nm 729 nm

73 nm 775 nm

23 nm 46 nm

En effet, compte tenu de la nature exponentielle décroissante du champ évanescent, l’augmentation de l’épaisseur de la couche métallique réduira l’efficacité du couplage et augmentera la transmission de la lumière dans la fibre. Des prévisions théoriques et des mesures expérimentales prédisent que l’épaisseur d’argent pour un couplage optimal lumière-plasmons de surface se situe autour de 50 nm. Dans le chapitre suivant nous montrerons que les simulations numériques confirment cette valeur d’épaisseur.

Finalement, ces résultats démontrent la nécessité de bien contrôler l’épaisseur du film métallique et par conséquent de maîtriser l’étape de métallisation dans ce type de système. Nous pouvons également conclure que ce décalage de résonance en fonction de l’épaisseur peut être un moyen pour adapter la gamme de fonctionnement du capteur à la gamme d’indices à détecter souhaitée.

b - Couche métallique d’or

La figure III.11 présente l’évolution de

λ

_res en fonction de l’indice de réfraction des solutions de glycérol, pour des épaisseurs d’or de 25, 34 et 43 nm. A l’instar des couches d’argent de différentes épaisseurs, nous pouvons remarquer que les valeurs de

λ

_res évoluent positivement avec l’augmentation des indices de réfraction du milieu extérieur, dans un intervalle compris entre 1,333 à 1,436. s

n

1.32 1.34 1.36 1.38 1.40 1.42 1.44 500 600 700 800 900 1000 43 nm 34 nm 25 nm λres [ nm ]

Indice de réfraction [RIU]

Figure III.11 : Variation de la longueur d’onde λres en fonction de l’indice de réfraction ns pour des

épaisseurs du film d’or de 25, 34 et 43 nm.

Nos résultats sont comparables à ceux présentés par Iga et al. [4] sur des fibres dites « hétérocores ». Iga et al. ont étudié des dépôts d’or allant de 20 à 70 nm déposé par pulvérisation RF sur une couche de chrome de 5 nm. A partir d’une étude expérimentale complète, ils mettent en évidence que la sensibilité des capteurs augmente avec l’épaisseur de la couche d’or, pour atteindre un optimum de sensibilité autour de 60 nm. Cette valeur tient compte de la sensibilité mesurée, mais aussi de la précision du pointage de λres qui dérive de la forme des courbes. En

effet, ils statuent que la finesse des bandes d’absorption observée pour des fibres dont les épaisseurs de la couche d’or avoisinent 60 nm améliore la précision du pointage de

λ

_res et, par voie de conséquence, améliore la limite de détection du capteur. Dans le chapitre suivant, nous poursuivrons cette discussion sur la base du calcul numérique et de l’effet de l’épaisseur sur le couplage, la précision et la sensibilité du capteur.

III.3.4 ─ Détermination de la sensibilité et de la limite de détection des capteurs

Dans le document Capteur à fibre optique basé sur le principe de Résonance de Plasmons de Surface : optimisation pour la détection d'espèces chimiques (Page 91-94)