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Ecriture directe par laser NIR de matériaux à propriétés électroniques à partir d’oxo-clusters de métaux (MOC) de transition – NIRTRONIC

Écriture directe par laser proche infrarouge à l'échelle micro-nano de matériaux à propriétés électroniques à partir de oxo-clusters de métaux de transition.

Le projet NIRTRONIC combine des défis scientifiques et technologiques de haut niveau, sur plusieurs aspects : i) chimie des matériaux, photochimie et ii) fabrication et évaluation de microcapteurs. L'équipe française de l'IS2M aura en charge le développement du matériau semi-conducteur photopatternable. L'équipe taïwanaise étudiera les propriétés électriques des matériaux d'oxyde en fabriquant un transistor à effet de champ (FET), un photo-détecteur (PD) et un prototype de capteur d'urée.

Fabrication de micro-capteurs

L'objectif du projet NIRTRONIC est de développer de nouveaux procédés de fabrication de (bio)capteurs miniaturisés avancés qui seront utiles pour le suivi de l'être humain. Nous proposons une technologie basée sur un procédé de mise en solution et de traitement au laser. Ce processus sera utilisé pour fabriquer des transistors à effet de champ (FET) et des photodétecteurs (PD) qui seront utilisés pour concevoir des biocapteurs comme produit final. Nous ciblons une application spécifique qui est un capteur d'urée salivaire, un facteur clé pour les patients souffrant de maladies rénales chroniques.

L'une des principales innovations repose sur la préparation de microstructures d'oxydes métalliques amorphes. Pour obtenir à la fois un processus d'écriture directe et des propriétés semi-conductrices appropriées, nous proposons une irradiation laser proche infrarouge (NIR) pour préparer in situ, en une seule étape, à température ambiante, les micro-nano-structures semi-conductrices. Le principal avantage de la polymérisation NIR est que le matériau d'oxyde métallique peut être obtenu à température ambiante, ce qui signifie que les structures peuvent être fabriquées sur des substrats plastiques flexibles ou des textiles. Les matériaux en solution associés au traitement laser font de cette voie perturbatrice une plateforme très adaptée à la fabrication de dispositifs de détection performants et peu coûteux. Un hydrogel fonctionnel sera couplé au matériau actif d'oxyde métallique pour réaliser le capteur d'urée salivaire.

Fabrication de dispositifs électriques dans le NIR sur des substrats en plastique:
Un dispositif à base d'oxyde métallique (oxyde d'indium et de zinc [IZO]) recuit par laser dans le proche infrarouge (NIR) a été démontré sur des substrats en verre et en plastique souples (polycarbonate, polyéthylène et polyéthylène téréphtalate). Après seulement 60 s, la résistance des films IZO recuits au laser est comparable à celle des dispositifs recuits thermiquement à des températures comprises entre 200 et 300 °C (1 h). XPS, ATR et AFM ont été utilisés pour étudier les changements de résistance et les corréler avec la composition et la morphologie du film mince. Enfin, il a été démontré que les films d'IZO recuits au laser dans le proche infrarouge sont capables de détecter les changements d'humidité et de servir de capteur de gaz très sensible au sulfure d'hydrogène (en concentration de ppb), avec un fonctionnement à température ambiante sur un substrat pliable.

Photodétecteur fabriqué par laser NIR
Nous avons développé un nouveau procédé pour fabriquer un photodétecteur (PD) en oxyde d'indium-zinc (IZO) avec des nanoparticules d'or (Au NPs). L'ensemble du procédé est basé sur un recuit laser utilisant le proche infrarouge (NIR), ce qui rend ce procédé adapté à l'intégration du dispositif sur des substrats fragiles tels que des substrats de verre fins, des feuilles de plastique ou même des pièces imprimées en 3D. Une bonne photo-réponsabilité à 410 nm (UV, >100) a été démontrée, mais il est intéressant de noter que la présence des NPs d'Au améliore considérablement la capacité de détection à des longueurs d'onde plus importantes, telles que 515 nm (vert, ~5×10-3 A/W), voire même à 630 nm (rouge, ~5×10-4 A/W) et 780 nm (NIR, ~10-4 A/W). En outre, grâce à l'évaluation critique de la détection dynamique de la lumière et à la trace de la durée de vie (~1 mois), la PD Au NPs/IZO recuite au laser peut enfin présenter une fiabilité et une stabilité de fonctionnement.

A venir

1. Chang, P.-Y.; Lin, C.-F.; El Khoury Rouphael, S.; Huang, T.-H.; Wu, C.-M.; Berling, D.; Yeh, P.-H.; Lu, C.-J.; Meng, H.-F.; Zan, H.-W.; Soppera, O., Near-Infrared Laser-Annealed IZO Flexible Device as a Sensitive H2S Sensor at Room Temperature. ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12 (22), 24984-24991.
2. Lin, Y. T.; Yu, S. Y.; Zan, H. W.; Yeh, P. H.; Lu, C. J.; Meng, H. F.; Luo, C. W.; Soppera, O., Photo-assisted recovery in ammonia sensor based on organic vertical diode. Org. Electron. 2019, 67, 272-278.
3. Lin, C.F., Zan H.W., Soppera, O. A novel full laser processed Au NPs/IZO photodetector with wide range detecting demonstrations, submitted to Adv. Photonic Mater.

L’émergence des technologies IoT (Internet of Things) a créé de nombreux nouveaux besoins dans le domaine des capteurs pour le suivi de fonctions vitales critiques. La détection en temps réel de signaux biochimiques constitue ainsi une demande importante pour le monitoring de patients malades et aussi de personnes en bonne santé (pour d’établir des bases de données médicales personnalisées). Un enjeu actuel est le développement de dispositifs miniaturisés et portables pour une médecine préventive personnalisée. Les systèmes micro- et nanostructurés sont aussi particulièrement intéressants pour détecter des biomarqueurs à des faibles concentrations. L'augmentation du rapport surface/volume permet en effet d’améliorer la sensibilité et d’abaisser la limite de détection minimale. Aujourd’hui, l’intérêt de ces dispositifs est validé mais ils restent généralement complexes et coûteux.
Le projet NIRTRONIC vise ainsi à développer un nouveau procédé de fabrication, en rupture avec les procédés actuels, de dispositifs électronique miniaturisés qui seront utilisables dans le contexte de monitoring humain.
Nous proposons une technologie basée sur des matériaux préparés par voie liquide et une mise en forme par laser proche InfraRouge (NIR) des matériaux fonctionnels micro et nanostructurés. Plus précisément, l'objectif de ce projet est de développer de nouveaux procédés de fabrication de dispositifs électroniques (Transistors, photodétecteurs) à base d'oxyde métallique préparés par écriture directe sol-gel et laser.
La principale innovation repose sur la préparation de microstructures d'oxydes métalliques par irradiation laser infra-rouge. En effet, nous proposons une irradiation laser NIR pour préparer in situ, en une seule étape, à température ambiante, les structures semi-conductrices. Le principal avantage du traitement NIR est que le matériau d'oxyde métallique peut être obtenu à température ambiante, ce qui simplifie grandement le dispositif de fabrication. Cela signifie aussi que les structures peuvent être fabriquées sur tout type de substrats, dont les substrats polymère, fibres optiques, etc….
Ce projet combine donc les compétences complémentaires des deux partenaires dans le domaine de la photochimie, chimie sol-gel, interactions laser-matière, les matériaux à propriétés électriques et la fabrication de dispositifs électroniques. Une partie importante du projet consistera à développer les formulations de précurseurs d’oxydes métalliques sensibles dans le NIR, puis à fabriquer par le procédé laser NIR des dispositifs électroniques basiques pour montrer la faisabilité du procédé et également caractériser les propriétés des matériaux obtenus par ce procédé. Enfin, l’application de ce procédé pour élaborer un capteur pour l’urée salivaire repose sur la fabrication d’un photodétecteur sensible associé à une couche hydrogel qui doit répondre à l’urée, dans la gamme de concentration d’intérêt (0-50 mM). Des corrélations entre la teneur en urée dans la salive et le sang ont déjà été démontrés et ainsi, il sera possible de disposer d’un dispositif miniaturisé et simple d’utilisation qui permettra une mesure non-invasive de ce biomarqueur, par une simple analyse de la salive du patient. Le partenaire taiwanais conduit déjà actuellement des recherches dans le domaine, qui vont jusqu’à des tests sur des patients. Toutefois, la technologie qu’il utilise aujourd’hui est trop complexe à mettre en œuvre pour imaginer fabriquer un dispositif industrialisable. La mise en commun des compétences des deux partenaires doit donc permettre de lever ces verrous.

Coordination du projet

Olivier SOPPERA (Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse (IS2M))

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IS2M Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse (IS2M)
NCTU National Chiao Tung University

Aide de l'ANR 189 000 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 36 Mois

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