Nanostructuration d'électrodes, depuis la synthèse des matériaux jusqu'à leur utilisation avec des procédés industrialisables de fabrication de capteurs électrochimiques

par Michael Spann

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Pascal Mailley.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec CEA Grenoble/LETI/DTBS (laboratoire) depuis le 15-11-2018 .


  • Résumé

    Les capteurs électrochimiques peuvent être utilisés dans de multiples domaines incluant la santé, le suivi de procédés industriels, l'agroalimentaire, l'agriculture et l'environnement. Cette versatilité des domaines d'application des capteurs électrochimiques tient à leur facilité d'utilisation mais aussi à la miniaturisation de la chaine de mesure afférente permettant d'envisager assez simplement la mise en œuvre de plateformes multiparamétriques sur site pour des mesures ponctuelles (point of care par exemple) ou le monitoring temps réels de milieux complexes. Au demeurant, la multiplicité potentielle de la mesure est un atout fort des dispositifs électrochimiques car il permet d'une part la mesure parallélisée permettant de circonscrire l'état d'un système mais aussi de fiabiliser la mesure via l'accès à différents paramètres environnementaux tels que le pH ou la concentration ionique totale par exemple. De fait, pour ces différents domaines, de nouvelles plateformes multi-capteurs doivent être conçues pour répondre à des enjeux sociaux et/ou économiques. Dans cette optique, la conception de capteurs miniaturisés, fiables et à faible coût est de première importance. Actuellement, le marché des capteurs électrochimiques à de rares exceptions (dispositifs PoC pour la mesure du glucose par exemple) se limite à l'utilisation d'électrodes conventionnelles (ou à l'agrégation de ces capteurs). Ce design devient très vite limitatif lorsqu'il s'agit soit de travailler sur de petits volumes soit d'intégrer ces plateformes de façon « transparente » au regard de l'application visée. Dans ce contexte, nous développons au CEA des plateformes multicapteurs basée sur des technologies de fabrication parallélisées telles que la lithographie. Plus particulièrement, dans une vision intégrative et de maîtrise des couts, et au regard de l'aspect « niche » de la plupart des applications (qui requiert la mise en œuvre d'une série de mesures dédiées adaptées au milieu à caractériser), nous nous intéressons plus particulièrement aux technologies additives en mettant en œuvre la sérigraphie pour la fabrication générique des supports (substrats, électrodes, pistes, connecteurs, diélectriques) et les techniques de drop casting ou d'ink-jet printing pour l'élaboration des couches sensibles. Toutefois, l'électrochimie est une technique de mesure basée sur les échanges interfaciaux d'électrons entre des molécules solvatées et une électrode dédiée. De fait, une augmentation significative de la surface d'échange est primordiale afin d'accroitre la sensibilité et/ou la gamme dynamique des mesures qu'elles soient potentiométriques, ampérométriques ou voltampérométriques. Cette augmentation de la surface d'échange peut être obtenue via la nanostructuration de l'électrode de mesure. Cette nanostructuration est reportée dans de nombreux articles scientifiques via la mise en œuvre de diverses méthodologies (ablation physique ou chimique, électrodéposition…) peu compatible avec l'intégration de plateformes multicapteurs. C'est sur ce constat que la présente thèse s'articule, elle visera la mise en œuvre d'une nouvelle méthodologie de nanostructuration des électrodes compatible avec les méthodologies de fabrication parallélisée. Ce sujet peut paraître très appliqué, mais en fait il intègre une approche pluridisciplinaire et fondamentale entre matériaux et chimie des matériaux, méthodologies de fabrication additive, formulation et électrochimie.

  • Titre traduit

    Nanostructuring of electrodes, from the synthesis of materials to their use in industrialisable fabrication processes for electrochemical sensors


  • Résumé

    Electrochemical sensors are very useful in the fields of healthcare, industrial quality control, agriculture and the environment due to their simple use but also the possibility of miniaturization. That way, the dimensioning of the entire measuring chain can be downscaled for on-site (e.g. point of care) application or real-time monitoring. As electrochemical sensors are potentially suited to measure several parameters in parallel (e.g. pH or ion concentrations), they generally fulfill the requirements to describe the state of complex environments at a given time and thus can simplify research. When designing such devices in a manner which responds to socially and economically conscious thinking, the feasibility to fabricate small scaled sensors at low cost is of highest priority. At the moment, with few exceptions such as glucose (point of care) sensors, the market of multi-parametric electrochemical sensors is mainly limited to the use of conventional electrodes and their combination in form of sensor arrays and thus limits the progres in the field of integrated sensors or when evaluating small sample volumes. As the operation of electrochemical sensors is based on the exchange of charges between the interface of dissolved molecules and a suited electrode, one possible solution to enhance sensibility or the dynamic range of sensor devices is to increase the electrodes' surface or contact area, respectively. This can be realized by nanostructuring the surface, extending it into three dimensions. In the field of surface structuring vast literature is available, however none of the common methods (e.g. physical or chemical deposition, electrodeposition) are reasonably compatible with the fabrication of multiparametrical sensors, as materials may react sensitive upon the exposure to e.g. high temperatures and certain chemicals. The thesis project therefore aims to investigate new methods to structure the surface of electrodes on the nanoscale and to integrate it into the additive or parallel fabrication protocol.