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Département COSYS
Composants et systèmes

Capteur de gaz sélectif à base de graphène

Un capteur de gaz sélectif et bas coût par l'emploi de graphène fonctionnalisé

Thèse préparée par Heechul Woo

Présentation du sujet

Dans les années à venir, l’augmentation de la population urbaine aura un impact lourd sur l’environnement, en particulier par la pollution de l’air, de l’eau et des sols. On pourrait considérablement améliorer la qualité de vie en intégrant dans la Ville des capteurs permettant de collecter les informations nécessaires à la protection de l’environnement urbain (pollution, température, vibration…). Les micro- et nanocapteurs en particulier constituent des solutions métrologiques particulièrement adaptées car ils offrent sensibilité, richesse des observables, faible consommation énergétique et bas coût.

Le graphene, découvert en 2004 [1], est très prometteur comme matériau actif de tels capteurs grâce à ses propriétés électroniques remarquables, sa surface spécifique importante et ses modalités de croissance industrialisables. Mais pour l'instant, aucune sélectivité claire aux gaz n'a été identifiée. Pour permettre une détection sélective et sensible de différents gaz, nous proposons dans cette thèse une approche fondée sur la fonctionnalisation non covalente du graphène par différents complexes métalliques optimisés, la fabrication de dispositifs à partir du graphène fonctionnalisé, puis la caractérisation systématique des dispositifs obtenus afin de démontrer leur potentiel comme capteurs de gaz pour l’environnement urbain.

Le graphene sera synthétisé sur différents substrats fonctionnels, en particulier bas coût (plastique, verre) en utilisant une approche « interfaciale » (la croissance a lieu à l’interface entre la surface du substrat et un métal catalytique) inventée et optimisée au LPICM [2,3]. Après une caractérisation poussée des films de graphène (microscopie électronique à balayage, microscopie à force atomique, microscopie électronique en transmission, spectroscopie Raman…), le graphène sera fonctionnalisé en voie liquide par différents complexes métalliques. Le matériau sera ensuite intégré dans des nanodispositifs grâce à des technologies bas cout (par exemple dépôt d’électrodes par impression jet d’encre). La caractérisation électrique à haute résolution sous différentes sollicitations environnementales (température, humidité, gaz de ville) permettra de définir précisément le potentiel des dispositifs réalisés comme capteurs. Le candidat s’impliquera ainsi dans toutes les étapes allant du matériau au dispositif : synthèse, fonctionnalisation et caractérisation de matériaux, réalisation et caractérisation de nanocapteurs.

Ces travaux de thèse, au cœur du projet scientifique de l’Equipex Sense-City (dédié au prototypage et à la caractérisation de capteurs pour la ville durable), se feront au sein de l’Equipe de recherche commune NACRE entre l’IFSTTAR et le LPICM (Laboratoire de Physique des Interfaces et Couches Minces, Ecole polytechnique) en collaboration avec le laboratoire de Chimie Inorganique de l’Université Paris Sud XI (où se fera la synthèse des complexes métalliques à plusieurs centres (Co(II), Fe(II), Fe(III), Mn (III), V(IV)) pour la fonctionnalisation).

Au travers de cette étude riche, le doctorant sera appelé à mettre en jeu des compétences pluridisciplinaires en science des matériaux, chimie et électronique.

[1] Novoselov et al, Science 306(5696) (2004) 666–669.

[2] C. S. Lee, et al, Proc. SPIE, 7761(2010) 77610.

[3] C. S. Lee, et al. Nanotechnology 23 (2012) 265603.

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