Réseaux ordonnés de nanofils de ZnO résistifs et unipolaires pour capteurs souples adaptés aux milieux biologiques – ROLLER

Le projet ROLLER vise à développer un matériau composite de type réseaux ordonnés, résistifs et unipolaires de nanofils (Nfs) de ZnO/polymère pour la réalisation de capteurs flexibles de pression ou de flux adaptés aux fluides et tissus biologiques. A terme, ce type de matériau décliné sous forme de micro-capteurs in-vivo ou ex-vivo devrait se montrer particulièrement bien adapté pour de nombreuses applications telles que l’instrumentation et le diagnostic médical ou encore pour leur intégration dans les objets connectés de l’e-santé (suivi de santé, de performance sportive…).
Les objectifs principaux de ce projet seront dédiés à la modélisation, conception, fabrication, caractérisation avancée à diverses échelles et intégration de ces structures composites.
Une phase initiale de modélisation par éléments finis permettra de corréler les impédances électrique et mécanique ainsi que le couplage électromécanique du composite aux caractéristiques intrinsèques des composants (Nfs et matrice polymère) et de ses paramètres géométriques et dimensionnels. La maîtrise de ces grandeurs est fondamentale car elles conditionnent directement les performances finales du capteur (sensibilité, adaptation d’impédance par rapport au milieu, comportement fréquentiel, type de sortie électrique...). Ces outils de modélisation permettront en outre de définir des structures composites de référence pour les phases ultérieures de caractérisation en régimes statique et dynamique des modes principaux de déformations.
Pour assurer la fabrication des structures composites, des procédés technologiques innovants en salle blanche combinées à des approches originales employant des techniques de dépôt chimique bas coût, basse température et extensibles en surface seront développés. La détermination systématique et le contrôle du dopage et de la polarité ainsi que des propriétés élastiques, diélectriques et piézoélectriques (PZ) aux niveaux local et macroscopique dans ces réseaux seront un enjeu essentiel afin de pouvoir les corréler à des modélisations théoriques et de les exploiter pleinement dans cette nouvelle génération de capteurs flexibles. Des méthodes spécifiques de caractérisation microscopique et macroscopique seront donc développée afin d’estimer ces paramètres élastiques, PZ et diélectriques des structures composites et de les corréler avec les propriétés microscopiques des nanofils. La méthode macroscopique, dérivée de celle couramment utilisée pour la caractérisation des matériaux PZ, reposera sur une analyse fréquentielle de l’impédance électrique d’échantillons de référence sur leurs modes principaux de déformation, pour laquelle des valeurs de référence par mesures directe des caractéristiques élastiques (banc mécanique en compression et cisaillement), PZ (banc de mesure du couplage) et diélectriques seront obtenues. Les propriétés microscopiques des nanofils en termes de dopage et polarité seront déterminées sous forme de profils et de cartographies par des techniques de caractérisation avancée (TEM/STEM: EDS, CBED, DRX résonante, AFM: SSRM, SCM, PFM, KPFM, transport électrique…).
Au final, un démonstrateur de type micro-capteur flexible de pression ou de flux sera dimensionné, prototypé et caractérisé. Il utilisera le matériau composite déposé sur un substrat flexible et sera mécaniquement sollicité selon son mode de déformation en flexion.
Ce projet tirera profit des compétences uniques et multidisciplinaires du consortium en science et génie des nanomatériaux et en conception et caractérisation de systèmes multi physiques couplés. Il est construit en s’articulant sur un développement de pointe de nanomatériaux corrélé à une véritable approche système, intégrant dès les phases de modélisation les fonctionnalités attendues de l’application biologique visée. Les retombées, à la fois fondamentales et applicatives, devraient mener à un développement de connaissances considérables et à une rupture technologique dans le domaine.