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

N

M

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)

a) 

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.