Projet ANR-10-BLAN-0820 – AMOS : Matériaux avancés pour capteurs optiques.
Programme : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Madame Véronique JUBERA (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION  AQUITAINE LIMOUSIN)
Partenaires : Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux; Laboratoire de l'Intégration, du Matériau au Système; Institut des Sciences Analytiques et de Physico-Chimie pour l'Environnement et les Matériaux; Laboratoire de Chimie de Coordination
Montant : 590000.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 48 mois
Résumé : Une détection optique : le futur des capteursLa réduction en taille des composés dédiés à la photonique requiert des études approfondies sur les phénomènes de surface. Les propriétés d’émission d’un matériau sont en effet, à l’échelle nanométrique, affectées par des processus de transferts d’énergie concurrentiels (effet de la morphologie, existence de défauts …). L’enregistrement de fluctuations de réponses optiques spécifiques est donc un indicateur fiable de son activité.
Proposer des matériaux dont les caractéristiques permettent de coupler à la fois deux propriétés fortement dépendantes du milieu environnant.Les nouvelles technologies reposent sur l’usage de matériaux soumis à des atmosphères et/ou des températures spécifiques et dont l’intégration doit être compatible avec un contrôle à distance permettant une excitation et une lecture de l’information hors de la zone de sensibilité. Sous irradiation, ces facteurs peuvent induire des modifications des réponses optiques des matériaux exposés. Par conséquent, leurs surfaces spécifiques et leurs morphologies deviennent des critères incontournables au regard du contrôle de la luminescence. Le projet AMOS a pour but d’étudier la relation entre les propriétés d’émission de composés inorganiques en fonction de stimuli externes (atmosphère, température…). Un tel sujet se situe au cœur du développement de capteurs innovants basés sur leur capacité à réagir et répondre à des modifications externes de leur environnement. A l’heure actuelle, leur principal avantage serait une compatibilité avec les technologies des systèmes embarqués mais aussi avec le fait que de nombreuses sources d’éclairage et de détection sont disponibles pour une intégration au sein de dispositifs robustes et compacts.
La luminescence, une spectroscopie et un véritable outil de diagnostique permettant le suivi et le contrôle des photons induits par le matériau.Nous avons évalué l’impact de la température ou d’une irradiation sur l’émission de différents composés. La voie de synthèse conditionnant la morphologie et la nature de la surface, différentes approches ont été comparées et mise en regard des réponses optiques.Au sein de matrices semi-conductrices, l’émission de nano-objets est liée à un phénomène de compétition entre un transfert d’énergie vers le centre actif et un transfert vers un piège. Par le biais d’équipements spécifiques, nous avons enregistré simultanément sous atmosphères contrôlées, les fluctuations de réponses optiques et électriques de couches épaisses déposées par sérigraphie. La passivation/neutralisation de la surface conduit quant à elle, à une émission stable. Les propriétés catalytiques ont été testées en parallèle au travers de la dégradation de solvants organiques.Des phénomènes d’hystérèse de luminescence ont aussi été mis en évidence au sein de composés fluorés. Bien étalonnées, les cinétiques de réaction à l’origine des fluctuations d’émission permettent d’établir une échelle temporelle d’irradiation ultraviolette, reflet de l’histoire du matériau (seuil et temps d’exposition).
Résumé de la soumission : Ces dernières années, de nombreux efforts ont été fournis pour développer des outils, des compétences et initier des projets dans le cadre de nouvelles thématiques dédiées à l’électronique –organique et aux nouveaux matériaux fonctionnels pour l’information, la communication, l’énergie et l’optique. L’intérêt de la communauté scientifique spécialisée dans les matériaux luminescents ne cesse de croître.De nombreux groupes se sont tournés vers la thématique de capteurs chimiques sur la base de leurs propriétés de luminescence spécialement en Asie (Chine et Japon). L’ICMCB faisait partie d’un consortium Européen à partir duquel de nombreuses collaborations sont nées et de nombreuses avancées scientifiques ont été publiées sur le sujet des nanomatériaux. Notre équipe a été l’une des premières a publié des résultats mettant en relation les propriétés catalytiques de TiO2 avec ses propriétés de luminescence, dans l’objectif du développement de nouveaux capteurs.Au niveau régional, le sujet développé par le coordinateur sur le développement des matériaux photoniques pouvant servir de senseurs est en accord avec le développement de la photonique en Aquitaine. La labellisation du projet sera demandée au pole de compétitivité “Route des lasers”.Depuis 2008, l’Université Bordeaux 1 conjointement avec la Région Aquitaine ont décidé de renforcer la thématique des matériaux pour la photonique via le financement d’un GIS dédié aux applications des matériaux pour l’optique. Au sein de l’un des programmes inscrits dans le cadre du GIS (Programme LasINOF: coordinateur, groupe des matériaux pour l’optique ICMCB), de fortes collaborations existent déjà entre différents laboratoires (ISM, IMS, CPMOH) et un nouveau programme d’éducation international a été initié sur cette même thématique au niveau MASTER. L’objectif est de former et de préparer les nouvelles générations à cette thématique prometteuse.Des matériaux non dopés et dopés terres rares vont être préparés pour évaluer l’impact de l’irradiation et leurs stabilités en émission sous atmosphères et températures contrôlées dans le but d'évaluer leur potentialité en tant que capteurs. Plusieurs voies de synthèse vont être mises en œuvre pour modifier et contrôler l’état de surface de semi-conducteurs nanométriques utilisables en tant que capteur de gaz. La recombinaison électron/trou sera étudiée par luminescence en fonction de la nature des gaz et du degré oxydo-réducteur de l’atmosphère. D'autre part, la potentialité en tant que capteurs de température de matériaux diélectriques cristallisés présentant des effets d’hystérésis sera analysée. Dans ce cas, nous suivrons le processus redox de paires Ce-In dans une matrice de type elpasolite pour déterminer le seuil de stabilité thermique de la luminescence visible sous différentes atmosphères.L’objectif est d’apporter à la communauté scientifique et à la société une expertise dans le domaine de matériaux capteurs basés sur les propriétés de luminescence. Dans ce but, deux approches correspondant aux deux familles de matériaux seront développées en regardant :1. l’excitation par la matrice de semi-conducteurs nanométriques et le transfert d’énergie vers le dopant. Dans ce cas, la réactivité de surface sera un point crucial.2. un co-dopage des matériaux pour les matériaux à hystérésis thermique.Notre force repose sur la capacité de rassembler divers domaines relatifs à la synthèse de matériaux, leur mise en forme, les propriétés de luminescence, l’analyse des espèces photo-induites et la caractérisation des matériaux. Dans le projet AMOS, nous bénéficierons d’un environnement unique en Aquitaine sur le développement des matériaux, pour mener une approche fondamentale basée sur la compréhension des relations entre propriétés de luminescence, composition des matériaux et mise en forme et prendre position dans un domaine novateur à la frontière de la catalyse et de la luminescence, afin de devenir leader d’un domaine émergent.
Résultats : Des nanomatériaux d’oxyde de titane et d’oxyde de zinc ont été étudiés. Les voies de synthèse ont stabilisé des centres luminesçant dans le visible. Le suivi des fluctuations d’intensité permet de remonter à la composition de mélanges gazeux. A l’inverse, la neutralisation des états de surface donne une émission stable, source d’UV (oxyde de zinc).
La cinétique des phénomènes redox réversibles étudiés sur des elpasolites conduit à un dosage potentiel des taux d’irradiation UV du matériau et son marquage ouvre la voie au domaine du stockage d’information pérenne ou non.
Perspectives : La suite du projet portera sur la quantification des propriétés optiques et la corrélation qui existe entre les émissions détectées et les activités de surface ou de « bulk » des matrices sélectionnées. Des études sous atmosphère contrôlée et en température seront menées.
Publications et brevets : Les travaux réalisés ont fait l’objet de communications écrites et orales dans des congrès internationaux. La production s’élève à 7 articles parus dans des journaux à fort impact, 1 proceeding, 8 conférences orales dont 2 à titre d’invité, un séminaire et 8 posters. Cette communication a été adressée à des journaux spécialisés en synthèse et caractérisations des matériaux. Les conférences choisies ont permis de toucher des chimistes du solide et des spécialistes de l’optique.