Transistors à effet de champ à base de graphène imprimés : contrôle chimique et électrochimique des propriétés électroniques du graphène et applications en bio-détection

Printed graphene field-effect transistors : chemical and electrochemical control of graphene’s electronic properties and applications in biosensing

• Auteur / Autrice : Sandra Vasilijevic
• Direction : Benoît Piro, Nicolas Battaglini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Chimie Energie Nanosciences Surfaces
• Date : Soutenance le 28/01/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Lacaze
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Battaglini, Emmanuelle Lacaze, Esma Ismailova, Guillaume Wantz, Emanuele Orgiu, Giorgio Mattana, Evangéline Benevent
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Esma Ismailova, Guillaume Wantz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polluants de l'eau

Techniques de biocapteur

Charge de fond

Graphène

Transistors à effet de champ

Mots clés libres

Impression à jet d'encre

Transistor à effet de champ à grille électrolytique

Transport de charge

Fonctionnalisation moléculaire

Inkjet printing

Electrolyte-gated field-effect transistor

Electronic transport

Molecular functionalization

Résumé

Le graphène est un matériau bidimensionnel ayant des caractéristiques physico-chimiques remarquables, notamment une sensibilité élevée à son environnement électronique. Parmi les différentes applications du graphène, son utilisation comme matériau sensible dans des transistors à effet de champ (GFET) est très étudiée, en particulier à des fins de biodétection. Dans ce travail de thèse, nous avons cherché à élaborer un GFET par la technologie originale de l'impression numérique à jet d'encre et de tester les performances de ce dispositif en tant que biocapteur. Pour faire cela, une encre aqueuse à base d'une dispersion de flocons d'oxyde de graphène (GO) a été formulée puis imprimée sur des structures lithographiées de type transistor à effet de champ. Grâce à ce dispositif fonctionnant en milieu électrolytique, nous avons montré que le degré de réduction électrochimique du GO permettait de contrôler efficacement les propriétés de transport de charges dans le matériau réduit (mobilité et taux de dopage du rGO) et qu'un contrôle additionnel pouvait être obtenu via un dopage induit par une couche de molécules riches en groupements de type donneurs électroniques, adsorbées sur les flocons de rGO.Ces GFETs à grille électrolytique, fonctionnels en milieu aqueux, ont ensuite été appliqués au suivi du métabolisme d'un organisme aquatique, à savoir une cyanobactérie. Notre dispositif électronique montre une sensibilité élevée aux variations du taux d'oxygène induit par l'activité photosynthétique de la cyanobactérie, avec un facteur d'amplification du signal électrique mille fois plus important que celui obtenu avec un dispositif équivalent, à base de semi-conducteur organique. Nous avons également montré que ce dispositif GFET pourrait être potentiellement utilisé dans le cadre de contrôles environnementaux, par exemple pour détecter la présence de polluants dans les eaux

Graphene is a two-dimensional material with remarkable physicochemical characteristics. In particular, graphene is highly sensitive to its electronic environment. Among different applications of graphene, its use as a sensitive material in the field-effect transistors (GFET) is widely studied, especially for biodetection purposes. In this work, we sought to develop a GFET using original digital printing technology and test the device performance when working as a biosensor. To achieve this, an aqueous ink based on graphene oxide (GO) flakes dispersion was formulated and printed on lithographed field-effect transistor structures. Thanks to this device, able to work in an electrolyte, we have shown that the electrochemical reduction degree of GO allowed efficient control of the charge transport properties in the reduced material (control of both the mobility and the doping rate of rGO). Moreover, the electron-rich molecules adsorbed on the rGO flakes were shown to induce additional doping effects.These electrolyte-gated GFET devices, operating in an aqueous medium, were then used for life-cycle monitoring of an aquatic organism, the cyanobacteria. Our device shows very high sensitivity to variations in oxygen levels induced by cyanobacteria's photosynthetic activity with amplification of electric signal a thousand times greater than that obtained with an equivalent device, based on the organic semiconductor. We have also demonstrated that this GFET device could potentially be used in the framework of environmental monitoring, for the detection of water pollutants