« Matériaux fonctionnels et capteurs » : différence entre les versions
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L’implantation ionique consiste à bombarder un matériau cible par des ions accélérés à forte énergie. Technologie de base en micro-électronique pour le dopage localisé des semi-conducteurs (par exemple pour la fabrication des jonctions P/N), l’implantation ionique permet également l’introduction d’autres espèces chimiques dans des substrats divers, rendant possible la synthèse de nouveaux matériaux. A plus haute énergie, les faisceaux d'ions sont également utilisés pour induire des [http://icube-macepv.unistra.fr/fr/index.php/ACACIA#ACTIVITES modifications structurales] ou développer des techniques d'[http://icube-macepv.unistra.fr/fr/index.php/ACACIA#Ligne_d.27Analyse analyse] physico-chimiques. |
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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'''. |
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<u>'''Synthèse ionique :'''</u><br> |
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Les sujets abordés dans cette thématique, aux applications variées, exploitent donc la flexibilité de l'implantation ionique, liée au caractère fortement hors équilibre des mécanismes mis en jeu et s'appuient sur la disponibilité d’une [http://icube-macepv.unistra.fr/fr/index.php/ACACIA plate-forme de faisceaux d’ions] couvrant une grande gamme d’énergies (15 keV à 4 MeV). Nous visons le développement d'approches originales, directement transférables en milieu industriel, de fabrication de nanostructures potentiellement exploitables dans de futurs composants (opto)-électroniques, et tout particulièrement des cellules photovoltaïques de 3ème génération (en lien étroit avec le thème 1) et de graphène. Des travaux sont également menés sur le dopage de divers semi-conducteurs par implantation et recuit, et le développement des modèles de simulation technologique correspondants. |
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* '''Croissance contrôlée de nanocristaux semi-conducteurs :''' |
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-''Dopage de nanocristaux par co-implantation :'' Malgré son intérêt pour la réalisation des dispositifs électroniques, le dopage des nanocristaux (nc) s'avère une tâche technologiquement difficile, à cause de leurs dimensions nanométriques. Nous étudions le dopage des nc simultanément à leur croissance, en co-implantant le silicium (et/ou le germanium) et le dopant à forte dose dans une matrice d'oxyde de silicium (ou un autre diélectrique). L'influence des conditions d'implantation et de recuit sur les propriétés optiques et électroniques des nc est étudiée dans le détail, pour les différents dopants usuels (As, P et B). Cette étude est menée en collaboration avec le thème 1 pour ses applications potentielles dans les cellules tandem.<br> |
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-''Intégration de fonctions optoélectroniques compatibles silicium :'' Nous étudions la synthèse, par co-implantation ionique des éléments III et V et recuits thermiques ultérieurs, de nc d'alliages III-V enfouis dans le silicium ou dans des diélectriques SiOxNy, ainsi que les performances de dispositifs intégrant de tels nc. Des premiers résultats existent dans la littérature, démontrant la possibilité de réaliser des nc III-V binaires par implantation ionique et recuits, dans Si ou SiO2. Toutefois ces études sont parcellaires et la formation de nc plus complexes (ternaires, voire quaternaires) n'a jamais été investiguée. La possibilité de jouer sur les compositions des alliages offre pourtant un degré de liberté pour espérer contrôler indépendamment la largeur de la bande interdite et le paramètre de maille du cristal (donc la cohérence du nc avec son environnement). Les applications visées sont la réalisation de composants optoélectroniques compatibles Si et des cellules photovoltaïques de 3ème génération. |
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*'''Films de graphène obtenus par implantation et diffusion haute température de carbone dans des matrices métalliques :'''<br> |
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Nous étudions dans le détail une voie d’élaboration originale du graphène utilisant la technologie mature de l’implantation d’ions. L'approche envisagée, dont la faisabilité a déjà été démontrée, utilise la ségrégation du carbone introduit par implantation ionique dans des matrices métalliques diffusantes (Ni, Cu, Ru). Après ou pendant l’implantation, suivant la température, le carbone diffuse vers la surface ou l’interface entre le film et le substrat. Cette nouvelle méthode de préparation du graphène possède de nombreux avantages sur la méthode CVD actuellement utilisée tels que : i) contrôle précis et uniforme de la dose de carbone implanté; ii) dopage possible par co-implantation; iii) croissance sélective à l’interface métal/substrat en jouant sur l’énergie des ions et sur le coefficient de diffusion du carbone dans le métal; iv) intégration possible à terme dans des dispositifs électroniques, cette technique reposant sur un procédé compatible avec ceux de la micro-électronique (collaboration avec le LPICM). |
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=Thèmes développés= |
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==Nano capteurs plasmoniques== |
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<u>'''Modifications structurales et analyses :'''</u><br> |
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Nous apportons notre contribution à divers projets nécessitant les technologies et analyses par faisceaux d'ions. On peut citer par exemple : |
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* ''Caractérisation de la contamination métallique'' dans des plaquettes de silicium pour le photovoltaïque obtenues par un nouveau procédé de moulage (ANR HABISOL "MOSAIQUE", collaboration avec le CEA-Ines). |
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* ''Exfoliation de diamant monocristallin'' pour la fabrication de substrats de grande surface en vue de la réalisation de détecteurs de particules (ANR Blanc MONODIAM-HE, collaboration avec l'IPHC-DRS). |
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* ''Modification des propriétés magnétiques'' de composés hybrides de nanoparticules ferromagnétiques insérées dans des nanotubes de carbone par interaction avec des ions (FP7 Belera, OTAN) |
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'''Personnes impliquées : Nicolas Javahiraly, François Le-Normand, Nacer Boubiche''' <br> |
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'''Collaborations : Université de Lyon 1.''' |
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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. <br> |
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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. <br> |
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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). <br> |
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<div class="center"> 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== |
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'''Personnes impliquées : Nicolas Javahiraly, François Le-Normand''' <br> |
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'''Collaborations : IPCMS, Université de Lyon 1.''' |
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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== |
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'''Personnes impliquées : G. Ferblantier, E. Steveler, D. Muller ''' <br> |
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'''Collaborations : IJL (Nancy), CEMES (Toulouse), Mc Master (Canada).''' |
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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. <br> |
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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== |
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'''Personnes impliquées : Yves-Andre Chapuis, Patrick Lévêque, Thomas Heiser''' <br> |
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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. <br> |
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[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== |
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'''Personnes impliquées : D. Muller''' <br> |
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'''Collaborations : J. Tribolet (Institut Chimie Strasbourg) M. Lazar (L2n Troyes)''' |
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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. |
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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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Dernière version du 7 octobre 2020 à 10:25
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
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Personnes impliquées : Nicolas Javahiraly, François Le-Normand, Nacer Boubiche
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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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Capteurs de micro-polluants
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Personnes impliquées : Nicolas Javahiraly, François Le-Normand
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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…).
Biocapteurs plasmoniques à base de nanoparticules semiconductrices
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Personnes impliquées : G. Ferblantier, E. Steveler, D. Muller
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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.
Capteurs Chimiques OFETs
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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 »
Capteurs quantiques
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Personnes impliquées : D. Muller
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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.