Inverseurs analogiques formés à partir de transistors graphène à effet de champ et à grille électrolytique pour la détection d'ions en milieu aqueux

Analogue voltage inverter from electrolyte-gated graphene field-effect transistors for ion-sensing applications in aqueous media

• Auteur / Autrice : Rassen Boukraa
• Direction : Nicolas Battaglini, Benoît Piro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 04/10/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interfaces, traitements, organisation et dynamique des systèmes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Andreas Offenhäusser
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luisa Petti, Marc Ramuz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andreas Offenhäusser, Beatrice Fraboni
• DOI : 10.70675/87733b95zd929z4695z8e6fz668416e40a25

Mots clés

Mots clés contrôlés

Graphène

Ions

Capteurs (technologie)

Membranes (technologie)

Mots clés libres

Transistors à grille électrolytique

Graphène

Inverseur

Capteur ionique

Membrane à ionophore

Electrolyte gated transistors

Graphene

Inverter

Ion-Sensing

Ionophore-Based membrane

Résumé

Les membranes sensibles aux ions (ISM) et leur intégration dans des dispositifs basés sur des transistors à effet de champ à grille électrolytique (EGFET) ont été l'objet de nombreux travaux de recherche. Ces dispositifs sont utilisés comme capteurs afin d'effectuer la détection d'espèces ioniques en solution. L'intérêt du graphène et des matériaux à base de graphène (GBM) pour ce type d'application a connu un récent engouement, car le graphène est considéré comme un matériau hautement conducteur et stable dans les milieux aqueux. Les inverseurs de tension fonctionnant en portes logiques à partir de l'assemblage de graphène-EGFET sont des dispositifs déjà connus, mais aucun travail n'a encore exploité leur utilisation en tant que capteurs d'ions. Le travail présenté vise à combiner le principe de fonctionnement de l'ISM avec la technologie GBM-EGFET, afin de concevoir un dispositif capable de détecter un certain seuil de concentration d'ions. Le principe de fonctionnement est alors basé sur un changement d'état logique (binaire) ou une modification de potentiel électrique due à la présence des ions. Notre étude s'inscrit donc dans le cadre de la ''logique chimique'', un domaine émergeant qui associe des aspects de logique booléenne à des phénomènes chimiques. Dans cette étude, un des points forts de l'inverseur est lié à la possibilité de récolter une tension électrique en sortie (au lieu d'un courant si on considère un détecteur à transistor classique), ce qui permet l'acquisition directe du signal dans les circuits électroniques. Notre cahier des charges est construit autour de l'utilisation de techniques et de matériaux à faible coût pour une perspective de production de dispositifs électroniques sur support plastique à grande échelle. Ainsi, les inverseurs sont élaborés sur des substrats en polyimide et les canaux conducteurs des transistors sont construits à partir d'une formulation d'encre d'oxyde de graphène (GO). L'encre est déposée à l'aide de techniques d'impression ou par dépôt direct de goutte sur le substrat. Le GO est ensuite transformé en rGO (oxyde de graphène réduit) lors d'une étape d'électro-réduction in situ, qui permet d'ajuster le niveau de dopage du matériau. Un inverseur complémentaire est habituellement composé de deux transistors connectés en série: un de type n et un de type p. Nous avons néanmoins montré qu'il est possible de créer un inverseur fonctionnel à partir de deux transistors à base de rGO dopé p. Le principe de fonctionnement de l'inverseur rGO-EGFET est proche de celui d'un pont diviseur de tension. Nous avons développé un modèle mathématique simpliste afin de mieux comprendre le comportement électrique obtenu avec les inverseurs ambipolaires à base de rGO. Nous avons ensuite conçu un capteur d'ions basé sur l'inverseur rGO. La sélectivité vis-à-vis de l'ion potassium a été étudiée par le dépôt d'une ISM, comportant l'ionophore à potassium III, sur le canal d'un des deux transistors. Le principe de fonctionnement de la détection en tension est basé sur un changement des caractéristiques électriques du transistor modifié par l'ISM alors que l'ensemble du dispositif est immergé dans un électrolyte contenant l'ion cible.

Ion Sensitive Membranes (ISM) and their integration into Electrolyte-Gated Field Effect Transistors (EGFETs) based devices have been widely described in literature to perform sensing in solution. Interest of graphene and graphene-based materials (GBM) for such application has increased lately since it is considered as being a highly conductive material stable in aqueous media. While voltage inverters operated as logic gates from graphene-EGFET have already been designed and reported, no work is relating to their use as ion sensors. The presented work is targeting to combine ISM working principle with GBM-EGFET technology in order to build a device able to detect a certain threshold ion concentration with a direct numerical or voltage readout method, which is conforming to the emerging field of Chemical Logic, and that is less resources-consuming regarding the integration of such sensor in electronic circuits. A noteworthy effort of the presented work is concerning the use of low-cost techniques and materials for a large-scale production perspective of plastic electronics devices. Therefore, polyimide substrates are used and conductive channel of the transistors are built from a home-made graphene oxide formulation deposited from drop-casting or printing techniques. Furtherly GO is turned into rGO (reduced Graphene Oxide) by an in situ electroreduction step able to tune the doping level of the material. While the usual complementary Inverter is composed of two transistors connected in series: an n-type and a p-type one, We have shown that it is still possible to create a functional inverter out of p-doped rGO-based transistors.. The working principle of the rGO-EGFET inverter is close to the one of a voltage divider bridge. We developed a toy-model in order to have a better understanding on the electric behavior obtained from our ambipolar rGO-based inverters. We designed afterwards an ion-sensor based on the rGO-inverter. The selectivity toward potassium ion has been investigated by the deposition of a potassium ionophore III ISM on the device's channel. The working principle of the detection is based on a shift of the electrical characteristics of the modified transistor while the whole device is being immersed in an electrolyte containing the target ion.