Électrodes en diamant B-NCD : optimisation du matériau pour la stabilisation d'une réactivité élevée

B-NCD electrodes : material optimisation for the stabilisation of a high reactivity

• Auteur / Autrice : Émilie Vanhove
• Direction : Pascal Mailley
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrochimie

Diamant

Électrodes

Résumé

Le BNCD quasimétallique est un matériau électroactif dont les propriétés exceptionnelles doivent cependant être mieux maitrisées pour en étendre l'usage en électrochimie. En s'appuyant sur la maitrise des procédés d'élaboration, l'analyse électrochimique (EIS et CV) a été systématiquement couplée à l'évaluation rigoureuse de propriétés du matériau (MEB, XPS, SIMS et Raman) afin d'éclairer les relations liant les propriétés physicochimiques et électrochimiques. L'identification et la modélisation d'une évolution des propriétés des électrodes liée à leur immersion a permis d'acquérir la reproductibilité nécessaire à l'optimisation du matériau. Deux axes ont été explorés pour améliorer les performances des électrodes : les traitements de surface et l'optimisation de la concentration en bore [B]. Finalement les électrodes traitées dont la concentration en bore est optimisée présentent une vitesse de transfert de charge k0 comparable à celle du platine et une stabilité élevée, répondant ainsi aux besoins des électrochimistes. Cette étude a également permis de faire progresser la compréhension de ce matériau d'électrode et de préciser le rôle essentiel de la concentration en porteurs de charge, dont un optimum en fonction de [B] a été mis en évidence, sur les propriétés électrochimiques et leur stabilité. L'analyse Raman s'avère un excellent outil d'optimisation et de prévision des propriétés des électrodes. Les électrodes développées ont été appliquées avec succès au travers de collaborations nationales et internationales notamment pour la détection d'explosifs (TNT) ou encore la fabrication de réseaux de microélectrodes dédiées à la neuroprostétique.

Boron doped NanoCrystalline Diamond (BNCD) having doping level over the quasi-metallic transition appears as an exceptional electrode material. However, its original electrochemical properties are impeded by uncontrolled time evolution that have to be carefully managed to extend its use as generic material by electrochemists. In the framework of this research, we designed boron doped diamond films by carefully controlling each growth parameter to systematically investigate, using electrochemical analysis (EIS and CV) and physicochemical characterization (SEM, XPS, SIMS and Raman), the existing relationship between the physicochemical and the electrochemical properties of diamond. Under immersion within electrolytic media, diamond electrodes shown typical time degradation of their electroanalytical properties that was identified and modeled. To obtain stable and highly responsive materials, two axes were investigated: surface treatments and boron concentration [B]. Finally, treated electrodes for which [B] was optimized presents a charge transfer rate k0 comparable to that of platinum and a high stability meeting thus the needs of electrochemists. Indeed, the drastic impact of boron doping concentration on electrodes stability and reactivity was highlighted, thereby allowing better understanding on the crucial role of charge carriers concentration. In such a way, Raman Spectroscopy succeeded to provide accurate estimations of active charge carriers concentration that correlate electrochemical characterizations. Finally, the optimized BNCD electrodes fabricated along this work were utilized in national and international collaborations for the sensitive detection of TNT or for the design of microelectrodes arrays dedicated to neuroprothetic.