Équipe MaCÉPV - Matériaux pour Composants Électroniques et Photovoltaïques

Matériaux fonctionnels et capteurs

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Le besoin croissant de capteurs accompagne le progrès des diverses techniques d’élaboration de nanomatériaux ou de matériaux nano-architecturés à base de diélectriques, de semi-conducteurs et/ou de matériaux hybrides. Dans ce cadre, les principales activités du thème « Matériaux fonctionnels et capteurs » de notre équipe s’inscrivent dans l’étude des (i) nano-capteurs plasmoniques pour la détection de gaz ou de polluants, (ii) des capteurs plasmoniques à base de nanoparticules semi-conductrices et (iii) des capteurs chimiques à base de transistors à effet de champ organiques (OFET). De façon générale, les capteurs développés par l’équipe visent des applications dans les domaines de l’énergie, de la santé, et de l’environnement.



Thèmes développés


Nano capteurs plasmoniques

Personnes impliquées : Nicolas Javahiraly, François Le-Normand, Nacer Boubiche


Collaborations : Université de Lyon 1.


L'hydrogène est présenté comme le vecteur d'énergie durable du futur, car le cycle de l'hydrogène est l'un des plus écologiques parmi les solutions énergétiques. L'hydrogène peut être utilisé pour produire, stocker et transporter de l'énergie et ses applications possibles sont très variées.
Mais l’utilisation de l’hydrogène présente un risque important s’il n’est pas maîtrisé car il est explosif à 4% dans l’air. D’où le besoin actuel de développement de nano-capteurs de fuites d’hydrogène pour des problématiques de sécurité.
Cette activité du groupe est consacrée à la recherche de capteurs optiques innovants de fuite d'hydrogène exploitant les propriétés de structures MIM (Metal Insulator Metal), de nanoparticules originales (NP simples, systèmes core-shell…) et leurs effets (SPR et LSPR), pour apporter une réelle avancée dans les performances de détection par exemple en termes de sensibilité et de temps de réponses (ANR NHYLEDECT (porteur : Nicolas Javahiraly) en collaboration avec l’Université de Lyon 1).


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Figure 1 : Exemple de résultats obtenus dans le cas d’une structure multicouches MIM (Or/SiO2/Pd) sur fibre optique. On notera en pointillé le cas hydrogéné.


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Capteurs de micro-polluants

Personnes impliquées : Nicolas Javahiraly, François Le-Normand


Collaborations : IPCMS, Université de Lyon 1.


La détection de micropolluants par des systèmes originaux constitue un des enjeux important de notre société. L'agence du cancer de l'OMS (Organisation Mondiale de la Santé) a classé cinq pesticides comme cancérogènes "possibles" ou "probables" pour l'homme. Cette activité du groupe MACEPV est dédiée à l’étude de capteurs innovants de polluants exploitant les propriétés d’interaction entre lumière et matériaux nanostructurés originaux. La détection repose sur la variation des propriétés, par exemple, optiques des matériaux utilisés en présence de la molécule à détecter. Plusieurs voies d’investigations sont à l’étude : la détection par Surface Plasmon Resonance (SPR) ou Local Surface Plasmon Resonance (LSPR) et d’autre part, celle utilisant des structures carbonées (type Diamond-Like Carbon (DLC)) fonctionnalisée mais aussi celles exploitant des effets de variations de différents paramètres (conductivité, résistivité…).


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Biocapteurs plasmoniques à base de nanoparticules semiconductrices

Personnes impliquées : G. Ferblantier, E. Steveler, D. Muller


Collaborations : IJL (Nancy), CEMES (Toulouse), Mc Master (Canada).


Les nanoparticules semiconductrices (Nps-SC), et notamment de silicium, intégrées dans une matrice diélectrique ont suscité un grand intérêt au cours des dernières décennies du fait de leurs nombreuses applications possibles en optoélectronique (conversion photonique dans l’IR, cellules photovoltaïques à hétérojonctions, absorbeurs efficaces). Ces dernières années, les Nps-SC électriquement dopées ont grandement attiré l’attention par la possibilité d’obtenir des résonances plasmons de surface localisés (LSPR) dont la position peut être ajustée selon la quantité de porteurs libres dans les particules. Cet ajustement, impossible pour les nanoparticules métalliques, présente une avancée majeure dans l’utilisation des LSPR dans le domaine des capteurs.
Actuellement, l’une des activités de l’équipe consiste à explorer la possibilité d’utiliser ces nanoparticules semiconductrices hyperdopées (fabriquées par pulvérisation cathodique, PECVD ou implantation ionique), pour générer des ondes électroniques de surface, autrement dit, des plasmons de surfaces, pour détecter des agents chimiques et/ou biologiques par la modification de l’onde plasmonique localisée.


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Capteurs Chimiques OFETs

Personnes impliquées : Yves-Andre Chapuis, Patrick Lévêque, Thomas Heiser


Pour s’imposer, les capteurs chimiques à base de transistors à effet de champ organiques (OFET) doivent aujourd’hui relever de nombreux défis technologiques tels que l’amélioration de la sensibilité, de la sélectivité, de la stabilité ambiante et des coûts de fabrication. Au sein de l’équipe MaCEPV d’ICube, nous explorons les performances de différents types de matériaux à base de semi-conducteur organique (OSC) dans la détection des espèces de gaz grâce au contrôle de la morphologie et à l'ingénierie moléculaire. Nous exploitons par exemple des matériaux à base de « nanofils monocristallins unidimensionnels (1D) » [1], qui offrent des perspectives de réponse et de vitesse de récupération plus rapides et précises de détection chimique. En parallèle à ces travaux, les facteurs critiques de la cinétique des gaz à l'interaction capteur-analyte, ainsi que l’examen des mécanismes de détection sont abordés. Nous nous intéressons également aux applications de capteurs flexibles pouvant s’intégrer de manière cutanée ou vestimentaire.


[1] : ANR Transfilsen (2009-2013), « Transfilsen: Elaboration of transistors based on functionalized and insulated molecular wires and applications in chemical sensors »


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Capteurs quantiques

Personnes impliquées : D. Muller


Collaborations : J. Tribolet (Institut Chimie Strasbourg) M. Lazar (L2n Troyes)


La « Double Electron Electron Resonance » (DEER), permet la mesure du couplage dipolaire magnétique entre 2 spins électroniques en utilisant des expériences de résonance magnétique pompe-sonde avec deux fréquences micro-ondes différentes. Associée à des spins des centres colorés obtenus par implantation ionique (par exemple le centre NV du diamant), cette technique permet la détection d’un petit nombre de qubits, voire un seul qubits de spin. Nous envisageons de développer cette technique (OD-DEER par détection optique de la photoluminescence) pour atteindre des sensibilités d’une sonde de spin unique qui pourra avoir à terme des applications biomédicales importantes. Mais, pour atteindre une telle sensibilité ultime, il faut combiner les méthodes DEER avec un capteur quantique ayant un ou plusieurs centre colorés à proximité de la surface et détectables optiquement. Nous nous efforçons d’élaborer par implantation ionique de tels centres colorés avec une localisation adéquate et surtout le maintien d’un temps de cohérence suffisant (qq 10µs) à température ambiante.


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