Thèse soutenue

Méthode innovante de croissance de couches minces de MOF par CVD pour la détection de gaz
FR  |  
EN
Accès à la thèse
Auteur / Autrice : Virginie Perrot
Direction : Elsje Alessandra QuadrelliVincent Jousseaume
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Chimie-physique des interfaces, Génie des procédés
Date : Soutenance le 14/12/2021
Etablissement(s) : Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
Laboratoire : Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
Jury : Président / Présidente : Catherine Journet
Examinateurs / Examinatrices : Elsje Alessandra Quadrelli, Vincent Jousseaume, Patricia Horcajada, Mikhael Bechelany, Catherine Henry de Villeneuve
Rapporteurs / Rapporteuses : Patricia Horcajada, Mikhael Bechelany

Résumé

FR  |  
EN

La mesure sur site et en temps réel des concentrations de gaz est cruciale pour la compréhension et la surveillance des processus industriels et environnementaux. Ces dernières années, il devient de plus en plus nécessaire de développer des outils d'analyse multigaz portatifs permettant la détection in situ de mélanges gazeux complexes, principalement pour des raisons de sécurité, de processus et d'environnement. Une approche prometteuse est basée sur l'intégration de différentes parties de systèmes analytiques de détection (par exemple pré-concentrateur, colonne de chromatographie en phase gazeuse ou encore capteurs gravimétriques) dans une puce en silicium en utilisant les technologies standards de microélectronique. Toutefois, chacun de ces dispositifs doit être fonctionnalisé avec une couche sensible appropriée. Les Metal-Organic-Framework (MOF), des matériaux hybrides cristallins microporeux aux propriétés modulables, sont intéressant pour ce type d'application en raison de leur surface spécifique élevée et de leur stabilité chimique. Cependant, ces matériaux sont généralement synthétisés par des procédés en solution (synthèse solvothermale), ce qui complique la croissance de couches minces continues et leur intégration dans des micro-dispositifs. Ce travail a pour objectif le développement d’un procédé de synthèse en phase vapeur pour produire des films minces de Zeolitic Imidazolate Framework 8 (ZIF-8), un MOF particulièrement intéressant. La méthode de croissance est basée sur le dépôt de couches de ZnO par Atomic Layer Deposition (ALD) sur un substrat, suivi de sa conversion et de la formation de ZIF-8 par exposition cyclique à la vapeur d'eau et au ligand organique en phase vapeur. Cette approche a permis la formation de films minces d'épaisseur comprise entre 5 et 200 nm, indépendamment de l'épaisseur de ZnO initiale. L'impact des paramètres du procédé (température du substrat, pression de vapeur d'eau...) sur la croissance du MOF a été étudié. La composition, la morphologie et la cristallinité ont été examinées à l'aide d'un large panel de techniques de caractérisation (AFM, DRX, MEB, FTIR). De plus, les mécanismes de croissance ont été étudiés par XPS et ToF-SIMS pour comprendre le rôle de l'eau pendant la réaction et plusieurs hypothèses ont été émises. Enfin, les films ont été activés thermiquement et la porosité a été évaluée par ellipsométrie-porosimétrie. Le volume des pores représente 30 % du volume des films dans certains cas. Les propriétés d'adsorption des films ont également été étudiées à l'aide de capteurs de gaz gravimétriques. En effet, des films de ZIF-8 ont été déposés sur des microbalances à cristal de quartz (QCM) pour étudier les interactions entre la couche et plusieurs gaz (méthanol, acétone et eau) afin de déterminer l'intérêt des films minces de ZIF-8 dans des capteurs de ce type. Ce travail montre que les capteurs fonctionnalisés avec du ZIF-8 permettent la détection de tous les gaz indépendamment dans les gammes de concentration testées. Cependant, la sensibilité de la détection du méthanol est fortement impactée par l'ajout d'humidité relative.