Méthode innovante de croissance de couches minces de MOF par CVD pour la détection de gaz

Innovative method for the growth of MOF thin films by CVD for gas detection

• Auteur / Autrice : Virginie Perrot
• Direction : Elsje Alessandra Quadrelli, Vincent 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 ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Journet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elsje Alessandra Quadrelli, Vincent Jousseaume, Patricia Horcajada, Mikhael Bechelany, Catherine Henry de Villeneuve
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patricia Horcajada, Mikhael Bechelany

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Metal-organic frameworks

Matériaux hybrides

Innovation

Détecteurs de gaz

Mots clés libres

Metal-Organic-Framework

CVD

Porosité

QCM

Capteurs de gaz

Couches minces

Metal-Organic-Framework

CVD

Porosity

QCM

Gas sensors

Thin films

Résumé

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.

On-site and real-time measurement of gas concentrations are crucial for both the understanding and the monitoring of industrial and environmental processes. In recent years, there is an increasing need to develop portable multi-gas analysis tools allowing in situ detection of complex gas mixtures mainly due to safety, process and environmental considerations. A promising approach is based on the integration of the different parts of the analytical system (i.e. pre-concentrator, gas chromatography column, gravimetric sensors) in a silicon die by using standard microelectronic technologies. Each of these devices need to be coated by an appropriate functional layer. Metal Organic Frameworks (MOF), hybrid microporous crystalline materials with tuneable properties, are attractive for this type of application regarding their high specific surface area and chemical stability. However, these materials are usually synthetized via solvothermal techniques, which complicates the growth of continuous thin films and their integration in micro-devices. This work focuses on the development of a vapor phase-based route to produce Zeolitic Imidazolate Framework 8 (ZIF-8) thin films, a MOF of particular interest. The growth method is based on the deposition of ZnO layers by atomic layer deposition (ALD) on a substrate followed by ZIF-8 formation using cyclic exposure to water vapour and organic ligand in the gas phase. This approach allowed formation of thin films with tunable thickness between 5 and 200 nm, independently of the initial ZnO thickness. The impact of the process parameters (temperature of the substrate, water vapor pressure…) on the MOF growth was studied. The composition, morphology and crystallinity were examined using a wide range of characterization techniques (AFM, SEM, XRD and FTIR). Moreover, the growth mechanism was investigated by XPS and ToF-SIMS to understand the role of water during the reaction and several hypotheses were given. Finally, the as-synthesized films were thermally activated and the porosity was assessed using ellipsometric-porosimetry. Pore volume represents 30 % of the volume of the films in some cases. The adsorption properties of the films were also investigated using gravimetric gas sensors. Indeed, ZIF-8 films were grown on quartz crystal microbalance to study the interactions between the layer and several gases (methanol, acetone and water) in order to determine the benefit of ZIF-8 thin films in sensors. This work shows that the sensors coated with the ZIF-8 enable the detection of all the gases independently in the range of concentration tested. However, the sensitivity of the methanol detection is highly impacted by the addition of relative humidity.