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Gunasekaran, Vignesh. Intégration et caractérisation de couches sensibles de ZnO:Ga et de cobaltites spinelles (CoxFe3-xO4 ; 1<=x<=3) sur véhicules de test pour la détection de dioxyde d'azote sub-ppm et d'éthanol

Gunasekaran, Vignesh (2021). Intégration et caractérisation de couches sensibles de ZnO:Ga et de cobaltites spinelles (CoxFe3-xO4 ; 1<=x<=3) sur véhicules de test pour la détection de dioxyde d'azote sub-ppm et d'éthanol.

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Résumé en francais

La mesure des polluants atmosphériques est un défi. La plupart des polluants gazeux, tels que le dioxyde d'azote (NO2) ou les composés organiques volatile (COV), se produisent à des niveaux de parties par milliard (part per billion ou ppb) dans l'air et sont mélangés avec des milliers d'autres composés. Aujourd'hui, le réseau public de surveillance de la qualité de l'air repose sur des stations de mesure fixes, les organismes de contrôle utilisent les détecteurs les plus performants, mais les plus onéreux et le coût d'une station multi-détection étant élevé, la résolution spatiale des mesures se trouvent fortement réduites. Dans le cadre de cette thèse nous proposons de trouver des matériaux capables de détecter de très faibles concentrations de gaz polluants et de les intégrer par une technique de dépôt en phase vapeur sous forme de couche minces (de quelques dizaines de nanomètre d'épaisseur) sur des micro-plateformes dans le but de fabriquer des capteurs de gaz résistifs low-cost. Dans cette objectif, l'oxyde de zinc dopé au gallium (noté ZnO : Ga) a tout d'abord été étudié pour la détection du NO2. Ce dernier a été déposé par pulvérisation cathodique par radiofréquence sur des substrats de silice fondu pour des caractérisations structurale et microstructurales. La couche obtenue se présente comme une croissance colonnaire et circulaire polycristallin avec une surface poreuse, idéale pour l'adsorption des gaz. La diffraction aux rayons X montre une structure wurtzite avec le plan (002) parallèle au substrat. Les caractérisations électriques et thermoélectriques montrent un matériau de type-n, peu résistif (comparé au ZnO brut). Ces couches minces de ZnO:Ga ont été déposé sur des plateformes de caractérisation (développé et fabriqué durant cette thèse) spécialement pour ces essais préliminaires de détection sous atmosphère contrôlée, mais aussi pour la détermination des paramètres de détection optimales du matériau. Ces essais ont prouvé qu'à 250°C le ZnO :Ga présente une bonne sensibilité à 500 ppb de NO2 dans une atmosphère comportant 50% d'humidité relative . Ensuite, les couches minces ont été déposé sur des micro-plateformes en utilisant un shadowmask (mis au point et fabriqué pour ce procédé) pour obtenir des dépôts bien localisé afin de fabriquer le capteur et de le caractériser dans des conditions de fonctionnement réelles. Ainsi, les capteurs fabriqués sont très sensibles à 500 ppb de NO2 avec 50 % d'humidité relative. Parallèlement à l'étude de ZnO : Ga, une évaluation exploratoire a été mené sur des poudres de cobaltites de fer (noté CoxFe3-xO4 avec 1 <ou= x <ou= 3) pour la détection des COVs. Des poudres avec différentes compositions ont été étudié : Co1.16Fe1.84O4, Co1.5Fe1.5O4, Co1.7Fe1.3O4, Co2FeO4, Co2.7Fe0.3O4 et Co3O4. Ces poudres ont été déposé sur des substrats d'alumine porté à différentes températures et testé sous 25 ppm d'éthanol sous air sec. Parmi toutes les compositions, le Co3O4 présente la meilleure réponse à basse température. En conclusion, cette thèse présente les couches minces de ZnO :Ga comme étant un matériau prometteur pour la détection du NO2 à très faible concentration. Il reste cependant à déterminer une façon plus correcte d'exploiter ce matériau, dépendant des applications, en prenant en compte ses atouts (sensibilité, temps de réponses, température ...) et ses défauts (vieillissement etc...). Le Co3O4 semble intéressant dans la détection de l'éthanol, il faut à présent porter l'étude sur les couches minces de celui-ci pour détecter des concentrations plus basses et l'intégrer sur les micro-plateformes pour fabriquer les capteurs fonctionnels.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Presmanes, Lionel
Menini, Philippe
Ecole doctorale:Sciences de la matière (SdM)
laboratoire/Unité de recherche :Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des MATériaux (CIRIMAT), UMR 5085 ; Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS) - CNRS
Mots-clés libres :Couches minces - Pulvérisation cathodique - Microcapteurs - MOS - Capteur de gaz - Oxyde métallique
Sujets :Sciences des matériaux
Déposé le :03 Dec 2021 09:52