The selective low cost gas sensor based on functionalized graphene

par Heechul Woo

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Costel-Sorin Cojocaru.

Soutenue le 29-09-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Approches interdisciplinaires : fondements, applications et innovation (Palaiseau, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) , École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces [Palaiseau] / LPICM (laboratoire) .

Le président du jury était Kees Vanderbeek.

Le jury était composé de Costel-Sorin Cojocaru, Talal Mallah, Pierre Legagneux.

Les rapporteurs étaient Martine Mayne, Tarik Bourouina.

  • Titre traduit

    Un capteur de gaz sélectif et bas coût par l’emploi de graphène fonctionnalisé


  • Résumé

    Les progrès récents dans les nanomatériaux présentent un fort potentiel pour la réalisation de capteurs de gaz avec de nombreux avantages tels que : la grande sensibilité de détection de molécule unique, le faible coût et la faible consommation d'énergie. Le graphène, isolé en 2004, est l'un des meilleurs candidats prometteurs pour le développement de futurs nanocapteurs en raison de sa structure à deux dimensions, sa conductivité élevée et sa grande surface spécifique. Chaque atome de la monocouche de graphène peut être considéré comme un atome de surface, capable d'interagir même avec une seule molécule de l'espèce gazeuse ou de vapeur cible, ce qui conduit finalement à un capteur ultrasensible.Dans cette thèse, des composants à base de graphène ont été fabriqués et caractérisés. Les films de graphène ont été synthétisés par dépôt chimique à phase vapeur (CVD) sur des substrats de verre. La spectroscopie Raman a été utilisée pour analyser la qualité et le nombre de couches de graphène. La microscope à force atomique (AFM) et la microscopie électronique à balayage (MEB) ont été également réalisées pour analyser la qualité du graphène. Après la caractérisation de couches de graphène, des dispositifs résistifs à base de graphène ont été fabriquées : quatre électrodes identiques ont été évaporées thermiquement et directement sur le film de graphène comme des électrodes métalliques. La caractérisation électrique a été réalisée à l'aide de Keithley-4200.La réponse de dispositif Intrinsèque a été étudiée sous différents conditions (pression, humidité, exposition à la lumière). Le dispositif a été fonctionnalisé de manière non covalente avec le complexe organométallique (Ru (II) trisbipyridine) et son effet sous exposition à la lumière a été étudié. La réponse de dispositif était reproductible même après de nombreux cycles en présence et en absence de la lumière. Les approches théoriques et expérimentales ainsi que les résultats obtenus au cours de cette thèse ouvrent un moyen de comprendre et de fabriquer des futurs dispositifs de détection de gaz à base du graphène fonctionnalisé de manière non covalente


  • Résumé

    Recent advances in nanomaterials provided a strong potential to create a gas sensor with many advantages such as high sensitivity of single molecule detection, low cost, and low power consumption. Graphene, isolated in 2004, is one of the best promising candidate for the future development of nanosensors applications because of its atom-thick, two-dimensional structures, high conductivity, and large specific surface areas. Every atom of a monolayer graphene can be considered as a surface atom, capable of interacting even with a single molecule of the target gas or vapor species, which eventually results in the ultrasensitive sensor response.In this thesis work, graphene films were synthesized by Chemical Vapor Deposition (CVD) on the glass substrate. Raman spectroscopy was used to analyze the quality and number of layers of graphene. Atomic Force Microscope (AFM) and Scanning Electron Microscopy (SEM) were also performed to analyze the quality of graphene. After the characterization of graphene films, graphene based resistive devices (four identical electrodes are thermally evaporated directly onto the graphene film as metal electrodes) were fabricated. The electrical characterization has been carried out using Keithley-4200.Intrinsic device response was studied with different external condition changes (pressure, humidity, light illumination). The device was non-covalently functionalized with organometallic complex (Ru(II) trisbipyridine) and the its light exposure response was studied. The observed device response was reproducible and similar after many cycles of on and off operations. The theoretical and experimental approaches and the results obtained during the thesis are opening up a way to understand and fabricate future gas sensing devices based on the non-covalentely functionalized graphene.


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