Développement de micro-capteurs environnementaux à base de graphène CVD fonctionnalisé : détection du plomb en milieu aqueux sur transistor à effet de champ (FET) et sur capteur électrochimique
Cette thèse porte sur le développement de nouveaux capteurs (GrFET) utilisant les transistors à effet de champ (FET) intégrant comme élément de détection du graphène monocouche obtenu par dépôt chimique en phase gazeuse (CVD) dans le but de détecter les micropolluants des eaux, en particulier le plo...
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| Format: | Thèse numérique |
| Langue: | Français |
| Publié: |
2024.
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| Sujets: | |
| Note: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Interfaces, Confinement, Matériaux et Nanostructures (Orléans, Loiret ; 2015-....) (Laboratoire), Groupe de recherches sur l'énergétique des milieux ionisés. UMR 7344 (Orléans ; 2012-....) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Jean-Pierre Cloarec (Président du jury) ; Sylvie Contreras, Arnaud Stolz, Jimmy Nicolle (Membre(s) du jury) ; Anne-Claire Salaün, Denis Doizi (Rapporteur(s)) |
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| Variante du titre: | Development of environmental micro-sensors based on functionalized CVD graphene :, detection of lead in aqueous media using field effect transistors (FETs) and electrochemical sensors |
| Résumé: | Cette thèse porte sur le développement de nouveaux capteurs (GrFET) utilisant les transistors à effet de champ (FET) intégrant comme élément de détection du graphène monocouche obtenu par dépôt chimique en phase gazeuse (CVD) dans le but de détecter les micropolluants des eaux, en particulier le plomb Pb(II). Actuellement, la qualité des eaux est évaluée par prélèvement sur site puis analyses en laboratoire, induisant des coûts et des délais incompatibles avec un suivi des micropolluants compatibles avec les préconisations des directives européennes. Le développement de nouvelles générations de capteurs, comme les microcapteurs de type GrFET, ou de microcapteurs électrochimiques à électrode de graphène CVD (GrE) pourrait permettre un déploiement à grande échelle intensifiant les points de mesure et leur fréquence s'ils répondent au cahier des charges de la DCE notamment en termes de limites de détection. Pour atteindre ces limites, il est nécessaire d'améliorer la sensibilité et la sélectivité des capteurs FET ou électrochimiques. Cette amélioration peut être obtenue par une sélection minutieuse du matériau de l'électrode et de la fonctionnalisation de sa surface. Dans les travaux présentés, le développement de capteurs environnementaux à base de graphène CVD doit répondre à cette problématique de détection sur site. La première phase de développement des capteurs, notamment du FET, a porté sur l'optimisation des différentes étapes de fabrication du GrFET en salle blanche et à la caractérisation des propriétés électriques et optiques du de la couche graphène du transistor GrFET. L'expérience acquise dans la préparation des FET a permis d'obtenir les microélectrodes utilisées ensuite pour le développement d'un microcapteur électrochimique. Le graphène des GrFET et des électrodes GrE a ensuite été fonctionnalisé par des groupements dicarboxyphenyl via la réduction électrochimique d'un sel de diazonium afin d'augmenter la sensibilité aux ions Pb(II). Les deux technologies de capteurs ont ensuite été utilisées pour la détection du plomb Pb(II) dans l'eau. Le microcapteur GrE a permis d'atteindre une limite de détection (LOD) de 3,4 nM, soit plus de dix fois inférieure au seuil imposé par la DCE, et une limite de quantification (LOQ) de 11,4 nM. Concernant le microcapteur GrFET, le développement d'un design original permettant le greffage par les sels de diazonium des surfaces de graphène de quinze FET dans des conditions identiques a conduit à l'étude de nouvelles méthodes de transduction du signal, via la mesure de la résistance de la couche de graphène ou la mesure de la position du point de Dirac. Les premiers résultats obtenus ont montré une limite de détection de 0.1 M. Ces résultats sont une preuve de concept originale de l'application d'un FET graphène CVD à la détection du plomb Pb(II) en milieu aqueux. This thesis focuses on the development of new sensors (GrFETs) using field effect transistors (FETs) incorporating monolayer graphene obtained by chemical vapor deposition (CVD) as the detection element, with the aim of detecting micropollutants in water, in particular lead Pb(II). At present, water quality is assessed by taking samples on site and then analysing them in the laboratory, resulting in costs and timescales that are incompatible with micropollutant monitoring in line with the recommendations of European directives. The development of new generations of sensors, such as GrFET-type micro-sensors, or electrochemical micro-sensors with graphene CVD electrodes (GrE) could enable large-scale deployment, increasing the number and frequency of measurement points if they meet WFD specifications, particularly in terms of detection limits. To reach these limits, it is necessary to improve the sensitivity and selectivity of FET or electrochemical sensors. This improvement can be achieved by carefully selecting the electrode material and functionalising its surface. In this work, the development of CVD graphene-based environmental sensors is intended to address this problem of on-site detection. The first phase in the development of the sensors, in particular the FET, involved optimising the various stages in the manufacture of the GrFET in a clean room and characterizing the electrical and optical properties of the graphene layer of the GrFET transistor. The experience gained in the preparation of FETs was used to obtain the microelectrodes that were then used to develop an electrochemical microsensor. The graphene of the GrFETs and GrE electrodes were then functionalised with dicarboxyphenyl groups via the electrochemical reduction of a diazonium salt in order to increase sensitivity to Pb(II) ions. The two sensor technologies were then used to detect Pb(II) lead in water. The GrE microsensor achieved a limit of detection (LOD) of 3.4 nM, more than ten times less than the threshold imposed by the WFD, and a limit of quantification (LOQ) of 11.4 nM. With regard to the GrFET microsensor, the development of an original design enabling the grafting by diazonium salts of the graphene surfaces of fifteen FETs under identical conditions, has led to the study of new signal transduction methods, via the measurement of the resistance of the graphene layer or the measurement of the position of the Dirac point. The first results obtained showed a detection limit of 0.1 M. These results are an original proof of concept for the application of a CVD graphene FET to the detection of Pb(II) lead in aqueous media. |
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| Description: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Interfaces, Confinement, Matériaux et Nanostructures (Orléans, Loiret ; 2015-....) (Laboratoire), Groupe de recherches sur l'énergétique des milieux ionisés. UMR 7344 (Orléans ; 2012-....) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Jean-Pierre Cloarec (Président du jury) ; Sylvie Contreras, Arnaud Stolz, Jimmy Nicolle (Membre(s) du jury) ; Anne-Claire Salaün, Denis Doizi (Rapporteur(s)) |
| Format: | Configuration requise : un logiciel capable de lire un fichier au format : PDF |
| Accès: | Thèse confidentielle jusqu'au 04 avril 2027 |