Développement de transistors organiques à effet de champs pour la détection de césium dans l'eau de mer

Development of organic field-effect transistor for the detection of cesium in seawater

• Auteur / Autrice : Volkan Kilinc
• Direction : Anne Charrier, Jean-Manuel Raimundo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Matière condensée et nanosciences
• Date : Soutenance le 14/05/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINAM)
• Jury : Président / Présidente : Marc Bendahan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Henry de Villeneuve
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabio Biscarini, Olivia Reinaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calixarènes

Semiconducteurs

Césium

Lipides

Mots clés libres

Lipide

Transistor

Cesium

Semiconducteur

Calixarene

Slm

Ofet

Egofet

LIpid

Transistor

Cesium

Semiconductor

Calixarene

Slm

Ofet

Egofet

Résumé

Le césium est un métal alcalin de haute réactivité, utilisé dans de nombreuses industries. Bien que le césium soit légèrement toxique de nature, ses isotopes radioactifs sont des éléments particulièrement dangereux. Leur grande solubilité dans l'eau entraîne des effets néfastes à la fois sur l'environnement et sur la santé humaine. Avec l'essor de l’activité industrielle et nucléaire, une augmentation de la pollution des eaux par le cesium a été observé. Il est donc souhaitable de développer des techniques pour la détection rapide des ions césium dans des systèmes environnementaux complexes. Dans ce but, les transistors à effet de champ répondent aux exigences requises de capteurs électroniques et offrent des caractéristiques uniques telles que la miniaturisation, le faible coût, la facilité d’utilisation, la spécificité, la sélectivité et des capacités de surveillance en temps réel. Dans cette thèse, des monocouches lipidiques auto-assemblées (SLM) sont utilisées comme diélectrique ultra-fin, conduisant à des propriétés de détection avec des limites de détection jusqu’au femtomole dans les capteurs Chem-FET lorsqu’ils sont fonctionnalisés avec des sondes spécifiques. Une interface innovante à base de poly(3-hexylthiophène) comme semiconducteur et de SLM fonctionnalisée avec un nouvel chélateur à base de calix[4]arène 1,3-alterné, présentant une grande sélectivité élevée vis-à-vis du cesium, a été assemblé et caractérisé. Après l’implémentation cette nouvelle interface toute organique, les propriétés du Chem-FET tels que la sensibilité, la sélectivité et les limites de détection ont été étudiées pour la détection de césium dans l'eau de mer.

Cesium is a highly reactive alkali metal used in photocells and clocks, and also acts as a catalyst to promote organic reactions. Although cesium is slightly toxic by nature, its radioactive isotopes, gamma emitters, are particularly dangerous elements found in nature. Their high solubility in water causes adverse effects on both the environment and human health. With the growth of industrial and nuclear activity in recent years, an increase in cesium pollution of water has been observed. It is therefore desirable to develop techniques for the rapid detection of cesium ions in complex environmental systems. To this end, field-effect transistors meet the requirements of electrical sensor technologies and offer unique features such as miniaturization, low cost, ease of use, specificity, selectivity and real-time monitoring capabilities. The development of such devices requires efficient transducers with high specificity and selectivity. In this thesis, self-assembled lipid monolayers (SLMs) are used as an ultra-thin dielectric, leading to detection properties with detection limits down to femtomole in Chem-FET sensors when functionalized with specific probes. An innovative interface based on poly(3-hexylthiophene) as a semiconductor and SLM functionalized with a novel calix[4]arene 1,3-alternate chelating agent having a high selectivity towards Cs+ has been assembled and characterized. After the implementation of this new all-organic interface, the properties of the Chem-FET such as sensitivity, selectivity and detection limits were studied for the detection of cesium in seawater.