Graphene based gas sensors : Fabrication, characterization, and study of gas molecules detection mechanism

par Zeineb Ben Aziza

Thèse de doctorat en Micro-électronique et Nanotechnologie

Sous la direction de Dominique Baillargeat.

Soutenue le 16-11-2015

à Limoges , dans le cadre de École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018) , en partenariat avec XLIM (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Coquet.

Le jury était composé de Dominique Baillargeat, Bérengère Lebenthal, Quing Zhang, Kamel Frigui, Aurelian Crunteanu-Stànescu.

Les rapporteurs étaient Henri Happy, Corinne Déjous.

  • Titre traduit

    Capteurs de gaz à base de graphène : Fabrication, caractérisation, et étude du mécanisme de détection des molécules de gaz


  • Résumé

    Ce travail nous a permis de réaliser une étude de capteurs de gaz et d’humidité à base de graphène. Cette étude pourrait être utile non seulement pour améliorer les performances des capteurs à base de graphène mais aussi pour mieux comprendre l’interaction entre le graphène et les molécules de gaz. Ceci semble indispensable pour faire avancer les applications du graphène comme un matériau prometteur pour la détection des gaz. Des avancées significatives ont été présentées au niveau de la fabrication de ces capteurs, leurs différentes caractérisations électriques ainsi que d’autres techniques employées pour analyser le mécanisme contrôlant la détection des molécules de gaz/vapeur. Ces outils ont été mis en place pour concevoir et fabriquer plusieurs structures de capteur en utilisant différents substrats support du graphène d’une part et en modifiant les propriétés du graphène par utilisation des produits chimiques d’autres part. La caractérisation de ces capteurs sous différents environnements a permis de comparer les différentes réponses des capteurs et d’en tirer plusieurs conclusions sur le fonctionnement de ces dispositifs. En effet, le Mica, un substrat lisse et transparent, a été utilisé comme substrat pour le graphène. Le dopage induit par le mica a été étudié ainsi que son impact sur la sensibilité du graphène au gaz d’ammoniac. Ceci a permis de mettre en évidence le fait que le substrat joue un rôle important pour la détection de l’ammoniac. De plus, ces capteurs fabriques sur mica et SiO2 ont été testés sous différentes conditions de températures et d’oxygène. Dans une autre approche, un polymère a été utilisé pour doper le graphène. Une étude détaillée a été menée pour analyser le comportement de ce graphène fonctionnalisé par rapport aux molécules d’eau. Ces nouveaux résultats expérimentaux obtenus pendant cette thèse constituent un bon support à plusieurs résultats théoriques établis et permettent d’optimiser la conception des capteurs de gaz à base de graphène pour des meilleures performances.


  • Résumé

    In this research, we report on a study of graphene based gas and humidity sensors. This study could be useful not only to improve the performance of graphene based sensors but also to better understand the interaction between graphene and gas molecules. This seems necessary to promote the applications of graphene as a promising material for gas sensing. Significant advances have been made to design and fabricate these sensors: the different electrical characterizations as well as other techniques used to analyze the mechanism controlling the detection of gas/vapor molecules. These tools have been set up to design and manufacture various sensor structures using different underlying substrates for graphene on one hand and chemical modification of graphene properties on the other hand. The characterization of these sensors under different environments was used to compare the different responses of the sensors and draw several conclusions about gas sensing mechanism. Indeed, Mica, a smooth and transparent substrate, was used as a supporting substrate for graphene. Doping induced to graphene by mica and its impact on graphene sensitivity to ammonia gas were studied. This has made it possible to highlight the fact that the substrate plays an important role for the detection of ammonia. In addition, these sensors made on mica and SiO2 were tested under a variety of temperatures and oxygen. In another approach, a polymer was used to dope graphene. A detailed study was realized about the behavior of water molecules on functionalized graphene. The obtained experimental results, reported for the first time, represent a good support for several theoretical studies already made and could be used to optimize the design of graphene based gas sensors.

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