Synthèse de nanohélices hybrides par auto-assemblage de type "bottom up" pour la fabrication de capteurs de déformation flexibles

Bottom-up self-assembly of hybrid nanohelices towards the fabrication of flexible strain sensors

• Auteur / Autrice : Antoine Amestoy
• Direction : Marie-Hélène Delville, Reiko Oda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 29/05/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac) - Chimie et Biologie des Membranes et des Nanoobjets (Bordeaux ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Mario Maglione
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Hélène Delville, Reiko Oda, Mario Maglione, Ghislaine Vantomme, Christophe Malhaire, Christian Bergaud, Vincent Mansard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ghislaine Vantomme, Christophe Malhaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie physique et théorique

Capteurs (technologie)

Électronique

Nanoparticules

Mots clés libres

Chimie supramoléculaire

Nanomatériaux

Effet tunnel

Capteurs de déformation

Electronique flexible

Supramolecular chemistry

Nanomaterials

Tunneling effect

Strain sensor

Flexible electronic

Résumé

Les capteurs de déformation flexibles et biocompatibles constitués d’assemblages de nanoparticules (NPs) sont prometteurs pour diverses applications futures, telles que la peau électronique, les écrans tactiles flexibles ou la robotique. Le principe de ces capteurs de déformations repose sur la conduction par effet tunnel entre les NPs qui varie de façon exponentielle lorsque que le film de NPs est déformé. Cependant, la sensibilité, la reproductibilité et la stabilité de ces capteurs sont affectées par les variations d'épaisseur, de morphologie et de densité des films lors de la fabrication ou au cours de leur utilisation. L’objectif de ces travaux est de développer des capteurs de déformations basés sur l'utilisation d’assemblages de nanohélices de silice recouvertes de NPs métalliques conductrices ou de NPs d’oxydes métalliques semi-conductrices pour surmonter ces aspects critiques. Dans la première partie, des NPs d’or sont synthétisées et fonctionnalisées avec différentes compositions de ligands isolants et sont ensuite greffées à la surface des nanohélices de façon covalente. Dans la seconde partie, des NPs semi-conductrices transparentes d’oxyde d’étain dopé à l’antimoine sont synthétisées, fonctionnalisées et assemblées à la surface des nanohélices par interactions électrostatiques ou covalentes. Enfin, les différents assemblages obtenus sont déposés par diélectrophorèse entre des électrodes interdigitées sur un substrat flexible. Les propriétés de flexibilité, de sensibilité et de stabilité des capteurs fabriqué sont ensuite caractérisées à l’aide de mesures électromécaniques couplées à des observations en microscopie électronique à balayage.

Flexible and biocompatible strain sensors based on nanoparticle (NPs) assemblies show great potential for various future applications, such as electronic skin, flexible touch screens, and robotics. The high sensitivity of such strain sensing devices is due to the exponential dependence of the tunnel resistance on the distance between adjacent NPs, which is altered by the strain. However, the sensitivity, reproducibility and stability of these sensors are affected by variations in thickness, morphology and density of the films during manufacture or during their application. The objective of this work is to develop strain sensors based on assemblies of silica nanohelices covered with conductive metallic NPs or semiconducting metal oxide NPs to overcome these critical aspects. In the first part, gold NPs are synthesized and functionalized with different compositions of insulating ligands and are further grafted on the surface of the nanohelices with a covalent bond. In the second part, transparent semiconducting NPs of antimony-doped tin oxide are synthesized, functionalized and assembled on the surface of nanohelices by electrostatic or covalent interactions. Finally, the various assemblies obtained are deposited by dielectrophoresis between interdigitated electrodes on a flexible substrate. The flexibility, sensitivity and stability properties of the sensors are then characterized by electromechanical measurements coupled with scanning electron microscopy observations.