I NTEGRATION DE  N OUVEAUX  M ATERIAUX

humains dans l’équipe mais aussi continuer à collaborer avec d’autres équipes de recherche  aussi  bien  en  interne  au  LAAS  qu’à  l’extérieur.  En  effet,  il  est  important  de  réunir,  dans  le  cadre  de  ce  type  de  projet  très  pluridisciplinaire,  toutes  les  compétences  nécessaires  au  développement de ces nouveaux micro/nanosystèmes. 

 

I. I

NTEGRATION DE 

N

OUVEAUX 

M

ATERIAUX

 

Dans  cette  perspective,  nous  envisageons  de  travailler  d’une  part,  à  court  terme,  dans  la  continuité d’une étude déjà commencée, qui consiste à maitriser l’intégration de différentes  couches sensibles avec des matériaux innovants par des techniques (comme le jet d’encre)  qui permettent un très bon contrôle de leur positionnement et de leur morphologie. 

D’autre  part,  à  plus  long  terme,  nous  prévoyons  de  travailler  sur  le  développement  de  nouveaux  matériaux  sensibles  nanostructurés  parfaitement  contrôlés  (structure,  état  de  surface, taille, positionnement, reproductibilité).   Ces deux approches se baseront sur des collaborations existantes mais aussi sur de nouvelles  collaborations notamment en interne au laboratoire.   

I.1. Intégration des Matériaux sensibles 

  Dans le cadre de la thèse de P. Yoboue, nous avons démarré une étude sur l’intégration de  ZnO  nanoparticulaire  commercial  par  la  technique  du  jet  d’encre  avec  une  machine  automatique  permettant  un  bon  contrôle  du  dépôt  et  de  sa  morphologie.  Cette  étude  préliminaire n’a été réalisée que sur des structures de test comprenant une couche d’oxyde  de  silicium  et  des  électrodes  interdigitées  en  Ti/Pt.  Cela  correspondait  en  fait  à  la  face  supérieure de nos capteurs de gaz mais sans résistance chauffante et sans membrane.   

Il  est  donc  nécessaire  de  poursuivre  cette  étude  en  montrant  qu’il  est  possible  de  réaliser  ces  dépôts  sur  substrat  de  silicium  de  4  voire  6  pouces  (à  grande  échelle)  de  manière  reproductible sur nos capteurs à membrane tout en conservant les mêmes caractéristiques.  En  effet,  la  température  de  substrat  étant  un  facteur  important,  nous  devrons  mettre  en  place une procédure spécifique qui tient compte de la structure complète du capteur. Le fait  de  réaliser  ces  dépôts  avant  découpe,  collage  et  montage  des  capteurs  en  boitier  peut  s’avérer être un verrou non négligeable à lever aussi bien pour la reproductibilité que pour la  sensibilité des capteurs (notion de pollution et/ou de détérioration de la couche sensible à  éviter au cours du procédé de fabrication et d’assemblage). 

 

Une fois optimisée, la technique du jet d’encre pourra être utilisée pour réaliser des dépôts  de  différents  matériaux  sensibles  sur  des  plateformes  chauffantes  multi‐cellules  et  réaliser  ainsi de manière parfaitement contrôlée, un microsystème de détection sélectif ou encore  « nez  électronique  intégré »  puisque  l’on  pourrait  également  imaginer  pouvoir  déposer  successivement  des  matériaux  sensibles  et  des  matériaux  poreux  agissant  comme  filtres  catalytiques. Une étude systématique sera malgré tout nécessaire pour chacune des encres  développées en essayant d’optimiser les paramètres de dépôt en fonction des morphologies  visées et des performances de détection à atteindre.    Cette approche pourra sans nul doute être proposée aux entreprises partenaires intéressées  pour une éventuelle industrialisation avec une étude spécifique à chaque application.   

I.2. Couches sensibles Nanostructurées 

 

Actuellement,  en  collaboration  avec  les  chimistes  du  LCC,  nous  avons  utilisés  comme  matériau  sensible  au  gaz,  des  nanoparticules  et  des  nanobâtonnets  de  SnO2  (et  de  ZnO)  comme nous pouvons le voir sur la Figure 73. 

 

  FIGURE 73 : DIFFERENTES NANOSTRUCTURES D’OXYDES METALLIQUES SYNTHETISEES AU LCC : A) NANOPARTICULES SPHERIQUES DE 

SNO2, B) NANODOTS DE ZNO, C) NANOBATONNETS DE ZNO, D) NANOFILS DE ZNO.   

Ces  matériaux  sont  actuellement  synthétisés  et  déposés  au  LCC  sur  nos  plateformes  chauffantes. Une étude, déjà initiée, permettra de montrer que la sensibilité et la sélectivité  de  ces  matériaux  sont  étroitement  liées  à  leur  morphologie  et  qu’il  est  donc  possible  de  réaliser  des  capteurs  de  gaz  différents  à  partir  d’un  même  matériau  de  base.  L’étude  sur  l’intégration par la technique du jet d’encre est bien entendu associée à ce travail pour bien  contrôler les dépôts. 

 

b) _c) d)

   

Par  ailleurs,  nous  avons  très  récemment  dans  la  littérature  que  les  matériaux  dits  « composites »  (association  de  deux  ou  plusieurs  oxydes  métalliques,  ou  encore  d’oxydes  métalliques  avec  des  alliages  de  type  Ferrites)  pouvaient  être  extrêmement  intéressants  pour  la  détection  de  gaz.  Ces  matériaux  pour  la  plupart  obtenus  en  couche  mince,  pourraient être élaborés  par  des  techniques  différentes  permettant  une  nanostructuration  contrôlée.  En  collaboration  avec  nos  partenaires  chimistes  (LCC,  CIRIMAT,  IM2NP),  nous  essaierons  donc  à  moyen  terme  de  trouver  les  associations  pertinentes  de  matériaux  sensibles  pour  une  détection  toujours  plus  sensible  (avec  des  seuils  de  détection  bien  inférieurs au ppm) et surtout plus sélective de gaz. 

 

Enfin,  dans  le  contexte  des  « nanocapteurs »,  la  majorité  des  équipes  de  recherche  ont  développé  des  capteurs  à  base  de  « forêt  de  nanofils »  enchevêtrés  de  manière  non  contrôlée,  difficilement  reproductible.  Il  est  clair  que  l’intérêt  d’utiliser  des  structures  de  type  nanofils  est  de  profiter  d’un  rapport  surface/volume  intrinsèque  extrêmement  important, ce qui est très favorable à la détection (grande surface d’échange avec le gaz ).  Dans  notre  prospective,  en  collaboration  avec  une  équipe  du  LAAS  qui  développe  des  nanofils de semiconducteurs [263], une des voies technologiques possible consiste à réaliser  des  "nanocapteurs"  à  base  de  nanofils  de  semiconducteurs  ou  d'oxydes  métalliques  de  manière  contrôlée.  En  effet,  nous  pourrions  détecter  un  gaz  par  la  simple  mesure  de  résistance  d'un  nanofil  (ou  de  nanofils  en  parallèle),  ou  bien  d'une  évolution  du  courant  drain‐source  d'un  nanotransistor  ou  encore  du  décalage  de  la  fréquence  de  résonance  du  nanofil.  

Un premier travail consistera à bien établir les procédés de fabrication, de manipulation et  d’assemblage/interconnections  et  de  méthodes  de  caractérisation  du  nanofil  pour  les  applications  de  détection.  Nous  pourrons  d’ailleurs  à  très  court  termes,  caractériser  électriquement sous ambiance contrôlée (faire des mesures de résistances sous différentes  ambiances  gazeuses)  des  dispositifs  déjà  disponibles  au  laboratoire  pour  d’autres  applications.  Il  faudra  ensuite  proposer  des  solutions  technologiques  de  manière  la  plus  robuste possible pour la réalisation de dispositifs dédiés à la détection de gaz compte tenu  de l'état de l'art et des capacités technologiques du laboratoire. 

Il sera important dans  un premier temps de bien comprendre le comportement électrique  (mais  aussi  thermique  et  mécanique)  d’un  nanofil,  et  de  son  interface  avec  les  contacts  métalliques,  en  fonction  de  sa  structure,  de  sa  morphologie,  de  son  excitation  et  de  son  environnement.  Nous  pourrons  bien  entendu  réaliser  une  étude  comparative  en  faisant  varier ces différents paramètres de base. Une des premières pistes pourrait être l’utilisation 

 

de pièges en surface [264]. Un travail important de modélisation et de simulation devra être  mené  pour  bien  comprendre  et  évaluer  les  lois  de  comportement  mais  aussi  pour  tenter  d’évaluer la transduction la plus efficiente possible. 

Une  fois  cette  première  étape  réalisée,  il  sera  particulièrement  intéressant  d’étudier  le  comportement  de  plusieurs  nanofils  mis  en  parallèles  et  si  possible  verticaux  comme  le  montre la Figure 74, pour en extraire un signal moyenné reproductible et exploitable d’un  point de vue métrologique. Ces nanofils placés verticalement dans un canal microfluidique,  permettraient de réaliser des capteurs beaucoup plus sensibles avec des seuils de détection  beaucoup plus bas (au niveau du ppb) que nos capteurs actuels.      FIGURE 74 : SCHEMA DE PRINCIPE DE RESEAU DE NANOFILS VERTICAUX  DANS UN CANAL    A plus long terme, nous pouvons imaginer réaliser des micro/nanosystèmes de détection en  faisant  croître,  dans  un  même  canal  de  mesure,  différents  types  de  nanofils  (matériaux  différents)  ou  encore  des  nanofils  composites  ce  qui  nous  permettrait  de  bénéficier  des  performances  en  sélectivité  de  structures  variées  (multicapteurs)  démontrés  précédemment.  La  notion  de  réversibilité  pourrait  être  améliorée  en  utilisant  l’effet  joule,  c’est‐à‐dire en injectant des « pulses » de courant dans les nanofils. 

Enfin,  toujours  en  utilisant  l’effet  joule,  certains  nanofils  pourraient  être  utilisés  pour  mesurer la température ambiante dans le canal ou encore son refroidissement en fonction  du débit de gaz. Nous pouvons donc envisager une évolution vers un canal instrumenté de  capteurs différents pour une détection en phase gazeuse mais aussi en phase liquide vers le  multicapteur ultrasensible et sélectif pour de la détection chimique ou biologique.          

 

Dans le document Du capteur de gaz à oxydes métalliques vers les nez électroniques sans fil (Page 124-128)