Chapitre I : Intégration des nanotubes de carbone dans les capteurs de gaz
4. Remarques complémentaires sur l’intérêt de l’utilisation des CNTs
Les résultats présentés précédemment confirment le potentiel que présente l’utilisation des nanotubes de carbone pour le développement de couches sensibles aux différentes espèces gazeuses.
Fonctionnalisation des CNTs
Dans ce contexte, outre l’intérêt d’utiliser les nanotubes de carbone de par leurs propriétés intrinsèques, un intérêt complémentaire est de pouvoir les fonctionnaliser et les hybrider avec des additifs métalliques [70], des polymères ou des oxydes [71] [72]. La modification chimique, par exemple des parois des nanotubes de carbone permet ainsi d’améliorer leurs caractéristiques d'adhérence avec un polymère ou de créer des zones sensibles facilement pénétrables par des gaz spécifiques pour la sensibilité et/ou la sélectivité du capteur à son environnement.
CNTs et encre conductrice
Par ailleurs, les nanotubes de carbone peuvent être mélangés avec des polymères pour réaliser des encres conductrices ou semi conductrices capables d’être imprimées avec des nouvelles technologies d’impressions tout en choisissant le type de CNT à imprimer ainsi que la concentration souhaitée. Les polymères sont des matériaux pouvant être synthétisés chimiquement en voie liquide. Ces matériaux n’ont pas les mêmes ordres de grandeur de conductivité électrique intrinsèque et offrent un compromis entre la facilité et la rapidité de la synthèse chimique et stabilité du matériau, ce qui permet de les utiliser en tant que charge conductrice au sein d’une encre. Nous verrons par la suite que dans ce travail de thèse, nous avons utilisé le PEDOT : PSS qui est un exemple de ce type de polymère. Il désigne un mélange de deux polymères, le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) et le poly(styrène sulfonate) de sodium (PSS). C'est un matériau polymère conducteur transparent.
Dans la plupart des travaux, le PEDOT : PSS est déposé sous forme de dispersion en phase aqueuse. Il est possible d’augmenter la conductivité des films réalisés par ajout d’additifs ou de diméthylsulfoxyde (DMSO) [73], en solution ou à la surface des dépôts
réalisés, ce qui permet de désagglomérer les nanoparticules et améliorer la morphologie des dépôts. Le PEDOT : PSS a une capacité de dopage permettant d’augmenter sa conductivité ainsi qu’une capacité de fonctionnalisation pour améliorer sa sélectivité [74] - [75]. Le composite PEDOT : PSS-CNT offre l'avantage de combiner les mécanismes de détection du polymère conducteur et des nanomatériaux de carbone. En effet, le PEDOT: PSS est considéré comme l'un des polymères composites conducteurs le plus performant disponible sur le marché en raison de son faible potentiel d'oxydo-réduction, de sa grande transparence, de sa grande flexibilité et de son excellente stabilité thermique.
Quelques exemples d’utilisation pour la fabrication de capteurs de gaz, du PEDOT : PSS seront exposés dans la partie suivante.
Li et al [76] ont fabriqué un capteur de gaz d’ammoniac flexible sur un substrat à base de polyéthylène téréphtalate (PET) en utilisant le PEDOT: PSS / AgNW (film composé par des nano fils d’argents) comme couche active par un dépôt en « spin coating ». Ils ont montré que la sensibilité au NH3 pour les capteurs peut être considérablement améliorée avec l’optimisation de la concentration de l’AgNWs. Le dispositif a obtenu d'excellentes performances de détection capable de détecter de faibles concentrations de NH3 de l’ordre de 500 ppb.
Le tableau I-4 présente une comparaison des performances de quelques capteurs à base du PEDOT : PSS.
Tableau I-4- Comparaison de la performance de quelques capteurs à base du PEDOT:PSS
Matériaux sensibles Sensibilité Limite de détection
Gaz détecté Référence PEDOT Nanorods 20% à 50 ppm 10 ppm Methanol [77] PEDOT Nanotubes 5.6% à 20 ppm 5 ppm Chloroform [78]
PEDOT :PSS Nanofibers
7.8% à 20 ppm -- Acetone [79] PEDOT :PSS/SWCNTs 4.8% à 20 ppm 200 ppb methylbenzene [80] PEDOT :PSS/Graphene 9.6% à 500 ppm 5 ppm Water [81] PEDOT :PSS/AgNW 28% à 15 ppm <500 ppb NH3 [76]
VIII Conclusion
Ce chapitre est constitué de trois parties.
Dans la première partie, nous avons exposé les grandes familles de capteurs qui sont classés en fonction des caractéristiques électriques de la grandeur de sortie et selon le type de technologie avec et sans contact. Ensuite, nous nous sommes intéressés plus particulièrement aux capteurs de gaz, répartis en différentes familles : capteur de gaz électrochimique, à onde acoustique de surface, optique, à transistor à effet de champ, à micro balance à quartz et à base de semi-conducteur.
Parmi ces familles de capteurs de gaz, les capteurs à base de nanotubes de carbone ont retenu notre intention. En effet, ces derniers présentent potentiellement de très bonnes performances en sensibilité, tout en présentant des avantages en termes d’intégration, de miniaturisation et une ouverture vers la fabrication de structures innovantes. Une description rapide des propriétés des CNTs a ainsi fait l’objet de la deuxième partie de ce chapitre.
La troisième partie présente un état de l’art non exhaustif des différentes méthodes d’intégration des nanotubes de carbone dans les capteurs de gaz ainsi que des différentes structures de capteurs de gaz réalisées à base de nanotubes de carbone et à base de polymère. Plusieurs travaux ont démontré leur sensibilité aux gaz avec plusieurs techniques de détection.
Compte tenu des contraintes que nous nous sommes fixées en termes de flexibilité, d’intégration, de facilité de réalisation tout en maintenant des performances optimales, nous avons choisi d’utiliser la technologie de prototypage rapide par jet d’encre pour la fabrication des capteurs étudiés dans ce travail de thèse. Cette technique nous permet de fabriquer des dispositifs à bas coût, sur des substrats flexibles tout en contrôlant le dépôt des couches sensibles à nanotubes de carbones.