Couches minces nanoporeuses structurées par des approches top-down et bottom-up : vers des capteurs optiques compatibles avec les smartphones

Nanoporous thin films structured by top-down & bottom-up approaches : towards smartphone-compatible optical sensors

• Auteur / Autrice : Olivier Dalstein
• Direction : David Grosso, Marco Faustini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 16/10/2017
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Schwob
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Serre, Andrea Cattoni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paolo Falcaro, Olivier Soppera
• DOI : 10.70675/ac344ef7za692z4a78zb3c2zf31eab19d7a7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Matériaux poreux

Propriétés optiques

Propriétés physico-chimiques

Procédé sol-gel

Metal-organic frameworks

Mots clés libres

Smartphone

Réseau diffraction

MOF

Sol-gel

Photonique

Capteur COV

Photonic

MOF

Sol-gel

Résumé

La structuration multi-échelle (à l’échelle micro- et nanométrique) de matériaux fonctionnels est un thème de recherche particulièrement actif en raison du grand potentiel des dispositifs miniatures utilisables en microélectronique, en optique (contrôle solaire, photonique) en microfluidique (lab-on-a-chip) ou pour de la détection de molécules cibles. Plusieurs techniques de micronanofabrication sont utilisées pour réaliser ces dispositifs miniaturisés. D’une part, des techniques dites « Top-Down » qui sont utilisées pour créer des formes complexes à l’échelle micro- et nanométriques à partir de matériaux massifs. Cette approche repose sur des techniques de lithographie qui offrent une grande liberté sur l’architecture finale du dispositif. Cependant, ce large choix de formes et de structures se fait au prix d’un faible rendement de fabrication qui diminue considérablement le transfert vers la production à grande échelle. A l’inverse, la fabrication de matériaux multi-échelle peut être faite par l’assemblage d’éléments moléculaires (« building blocks »). Cette seconde approche, dite « Bottom-Up » a le mérite de pouvoir être employée sur de grande surfaces mais permet seulement d’obtenir des architectures simples. La combinaison de ces deux approches ouvre un large champ d’exploration et permettrait d’obtenir des structures complexes inédites inaccessibles autrement. Le but de cette thèse est de combiner les approches « Top-Down » et « Bottom-Up » pour obtenir des matériaux à architecture hiérarchique et qui possèdent à la fois des propriétés chimiques et optiques originales. Concrètement, le cœur de ce travail de doctorat a été le dépôt par voie liquide (« Chemical Liquid Deposition ») de couches minces nanoporeuses grâce à une technique de trempage-retrait (« Dip-Coating »). Ce dépôt est suivi d’une structuration induite par évaporation ou bien par lithographie. La nanoporosité de ces couches minces, qui peuvent êtres inorganique ou organique-inorganique (hybride), est induite par un phénomène d’auto-assemblage se déroulant pendant la phase de séchage du film. La structure multi-échelle résultante possède une organisation périodique à l’échelle micro- voire submicrométrique (structure photonique) mais également une nanoporosité (<100 nm) structurée; le dispositif photonique est utilisé pour détecter des vapeurs de Composés Organiques Volatiles (COV). Un accent sera mis sur la compatibilité de ces capteurs optiques avec les caméras de smartphone. Le but final est en effet de fabriquer des capteurs à bas coût, dont la réponse optique est directement lisible par un smartphone.

Multi-scale structuration of functional materials at nano- and micro- levels is an active scientific field driven by the tremendous potential of miniaturized devices in microelectronics, optics (light harvesting, photonics), sensing (selective sensors) or microfluidics (lab-on-a-chip). Diverse micro-nanofabrication techniques are exploited for device fabrication. On one hand, Top-Down techniques are developed to fabricate complex micro- and nano- structures from bulk materials; this approach relies on lithography which offers a wide flexibility on the final object architecture but suffers from low-throughput that hinders its use for large-scale production. On the other hand, Bottom-Up techniques based on the assembly of molecular building blocks are suited for the large-scale fabrication of nanostructured materials but are limited to simple architectures. The fruitful combination of both approaches is thus a vast field of investigation with promising technological outcomes.The scope of this thesis is to combine Bottom-Up and Top-Down approaches to obtain hierarchical architectures with original chemical characteristics and optical properties. In practical terms, the deposition by Chemical Liquid Deposition (dip-coating) of nanoporous inorganic or organic-inorganic (hybrid) films structured by self-assembly and the subsequent patterning by either lithographic or evaporation-driven patterning will be presented. The resulting multi-scale structures possess periodic micro- or submicro- organization and engineered nanopores (<100 nm) and are used as optical sensing devices for the detection of Volatile Organic Compounds (VOC). In the pursuit of simplicity, the compatibility of these sensors with Smartphone technology is emphasized; the final goal is to fabricate low-cost sensors with pronounced chemical selectivity that produce an optical signal directly readable by Smartphone cameras.