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Records du monde en nanotechnologies

Mesures de déformation par nano-capteurs

Il s’agit d’un Record mondial sur la stabilité (F. Michelis, L. Bodelot, Y. Bonnassieux, Bérengère Lebental : ERC NACRE).

Ces travaux débouchent sur une reproductibilité exceptionnelle et une absence d’hystérésis dans des capteurs de déformation flexibles fabriqués par impression jet d’encre de nanotubes de carbone. 

En raison de leur sensibilité exceptionnelle à leur environnement proche, les nanotubes de carbone ont été massivement proposés dans des capteurs innovants, en particulier les capteurs flexibles qui sont la clé de voûte de la nouvelle génération de matériaux intelligents (textiles, matériaux de construction, véhicules…). Mais, pour atteindre le marché, il faut prouver la reproductibilité de leur fabrication, enjeu scientifique en soi quand les objets atteignent des dimensions nano-métriques.

Les études existantes sur les capteurs flexibles ou rigides se limitent à comparer, le plus souvent qualitativement, les sensibilités de 2 à 4 capteurs. Une unique étude, sur des capteurs chimiques sur substrat rigide, analyse 21 dispositifs, et annonce près de 2 ordres de grandeur de variabilité sur les performances des capteurs. Cette étude intitulée « Universal Parameters for Carbon Nanotube Network-Based Sensors: Can Nanotube Sensors Be Reproducible ? » (CS Nano) souligne les difficultés scientifiques et techniques à obtenir la reproductibilité des capteurs flexibles à nanotubes de carbone.

L'article \textit{Reproductibilité exceptionnelle et absence d’hystérésis dans des capteurs de déformation flexibles fabriqués par impression jet d’encre de nanotubes de carbone}, accepté en août 2015 dans le journal Carbon, montre  sur une série de 8 dispositifs que la variabilité sur la sensibilité est de seulement 8\% en température et de 16\% en déformation.

Il s’agit de l’étude la plus complète sur les capteurs flexibles à nanotubes, et de la sensibilité la plus basse reportée à ce jour parmi tous les types de capteurs à nanotubes de carbone. L'absence d’hystérésis de ces nouveaux capteurs constitue là encore une réussite rare dans la littérature des capteurs de déformation à nanotubes de carbone.

a) Image et b) schéma correspondant d’un capteur à base de nanotubes de carbone. c) Fabrication en série de 144 capteurs par impression jet d’encre sur feuilles d’ETFE.

Qualité des transistors pour des capteurs de gaz

 

 Record mondial (Fatima Bouanis, Costel Sorin Cojocaru : ERC NACRE).

 

 

Les nanotubes de carbone (NTCs) passionnent la communauté scientifique. Leurs propriétés électroniques, optiques et mécaniques exceptionnelle en font l’un des matériaux les plus prometteurs des nanotechnologies. Néanmoins des problèmes liés à leur manipulation, organisation et mise en forme se posent lors de leur intégration à des dispositifs. Jusqu’à la publication de nos travaux, à notre connaissance il n'existait pas de méthode fiable permettant de produire des NTCs aux propriétés ciblées : contrôle de la chiralité et du diamètre. Cette absence de contrôle des propriétés du matériau au niveau de la production est perçue comme un verrou fondamental pour l'exploitation des NTCs pour la réalisation des dispositifs électroniques : transistors à effet de champs, NEMS, capteurs...

Nous avons donc étudié une nouvelle approche fondée sur la chimie de coordination de surface pour obtenir un meilleur contrôle des caractéristiques (taille, composition chimique) des nanoparticules métalliques classiquement utilisées comme catalyseurs pour la croissance des NTCs par CVD sur différents substrats.

L’originalité de cette approche réside dans la capacité à contrôler la densité surfacique d’un ion métallique donnée en fonction de la surface géométrique du ligand utilisé et du nombre de sites de greffage présents sur la surface. Ceci permet de contrôler la densité de nanoparticules métalliques de catalyseur sur la surface ainsi que leur diamètre, c.-à-d. d’obtenir des tapis dilués de nanotubes de carbone monoparois (SWNTs).  On envisage donc des dispositifs électroniques (transistors à effet de champ, capteurs chimiques/biologiques) fondés sur cette approche avec d’excellentes caractéristiques (mobilité de porteurs, pentes sous seuil…) et issus d'un procédé de fabrication très simple. Des SWNTs (Figure I.2a) sélectifs et de très bonne qualité ont été ainsi obtenus.

D'ores et déjà les transistors réalisés à base de ces SWNTs sur des substrats de silicium avec une couche d'oxyde de 100nm détiennent le record mondial pour les transistors à base de NTCs : un courant à l’état passant (Ion) élevé et un rapport entre les courants dans l’état passant (Ion) et dans l’état bloqué (Ioff) très élevé (109). Ces résultats dépassent largement les caractéristiques obtenues avec des transistors à nanotube de carbone unique.

A gauche : stratégie utilisée pour l’obtention de nanoparticules métalliques de catalyseurs de croissance à partir de films auto-assemblés de complexes métalliques ; (a) silane, (b) silanisation ; (c) auto-assemblé de complexes métalliques. A droite, performance des nano-tubes non-fonctionnalisés comme capteurs de gaz, la sensibilité atteint une dizaine

La synthèse de nanotubes à chiralité connue a permis de réaliser des transistors à effet de champ sensibles aux Nox. On en améliore la sélectivité grâce à la fonctionnalisation des nanotubes par différents complexes métalliques.