Description

Résumé
Des études récentes ont démontré que les matériaux 2D sont des candidats prometteurs pour le développement de capteurs. Ces matériaux lamellaires tels que le graphène (semiconducteur de gap nul) et les dichalcogénures de métaux de transition (TMD, semiconducteurs) présentent l’avantage d’avoir des propriétés physiques facilement modulables en modifiant leur épaisseur (nombre de couches) ou en les connectant en configuration transistor afin de varier leur dopage (ou concentration de charge). Plus particulièrement, le doctorant fabriquera et étudiera la sensibilité (i) de croix de Hall de graphène pouvant être utilisées comme capteur de champ magnétique ajustable électriquement (en tension de grille) ; ainsi que, (ii) de transistors à base de TMD comme capteurs de gaz en cherchant à interpréter les mécanismes de détection et à les rendre sélectifs en gaz. Ces études seront menées jusqu’aux mesures de bruit et de détectivité sur un banc de test dédié et donneront lieu à une optimisation de ces capteurs.
Motivation/Etat de l’art
Les capteurs magnétiques sont omniprésents aussi bien dans notre quotidien que dans l’industrie de pointe et la recherche fondamentale (automobile, spatial, cryptographie quantique,…). A ce jour, les capteurs magnétiques les plus sensibles (de type Fluxgate), atteignent des détectivités du picoTesla mais sont réservés à des applications de pointe (spatial, geomagnétisme) tandis que les meilleurs capteurs à effet Hall commerciaux quelques dizaines de nanoTesla [Mosser(2017)]. Différentes études ont démontré le potentiel du graphène pour atteindre de bonnes limites de sensibilité [Collomb(2021)], de manière pouvant être mise à l’échelle (pour une production en série) mais manquent d’étude systématique de leur limite de détectivité.
D’autre part, les problématiques environnementales actuelles nécessitent le développement de capteurs de gaz très sensibles et sélectifs. La mesure de faibles concentration de gaz en mélange dans des conditions naturelles est un défi important soutenant l’avènement de pratiques neutres en carbone notamment en agriculture. Le verrou principal étant la sensibilité et la sélectivité des capteurs de gaz [Liu(2012)]. Les matériaux 2D pourraient permettre de lever ces verrous. Parmi eux, plusieurs études ont démontré l’intérêt des transistors à base de dichalcogénures de métaux de transition (TMD) pour la détection de gaz polluants(NO2, NH3,…) avec des sensibilités atteignant la centaine de ppb (parties par millions) [Lee(2018), par exemple].
Projet
L’équipe TQNS souhaiterait initier un projet permettant de développer et d’étudier la détectivité de tels composants, et plus particulièrement pour comparer, d’une part, différentes sources de graphène entre elles (croissance CVD, épitaxie sur SiC et exfoliation) pour la détection de champ magnétique ; et, d’autre part, les mécanismes de détection, et la sensibilité des TMD en cherchant à les rendre sélectifs à la détection de gaz polluants issus du compostage. Cette étude, financée en partie par l’UM, s’appuie sur les expertises actuelles de l’équipe dans la détection de champ et de gaz, dans la croissance et les mesures de transport électronique dans les matériaux 2D[Castillo(2023), Nachawaty(2018)] et dans les mesures de bruit et de détectivité [Mosser(2017)].
Le/la doctorant/e participera (puis mènera en autonomie) (1) à la fabrication des composants, ainsi qu’à leur optimisation ; (2) à l’étude physique et à la caractérisation électrique de ces composants et (3) aux tests de détectivité sur un banc dédié avec plusieurs gaz envisagés.

Compétences requises

La candidate ou le candidat doit être titulaire d’un master ou équivalent en physique des solides (physique des semiconducteurs ou nanophysique) ou physique des matériaux. Il doit avoir un intérêt marqué pour le travail expérimental. Un intérêt pour l’instrumentation et la capacité à synthétiser des résultats et les analyser sont des atouts. Les connaissances d’un langage de programmation, préférentiellement Python (utilisé pour le pilotage des différentes expériences) sera apprécié. Une sensibilité aux questions environnementales sera également une source de motivation bienvenue.

Bibliographie

[Collomb(2021)] David Collomb, Penglei Li and Simon Bending, Frontiers of graphene-based Hall-effect sensors, J. Phys.: Condens. Matter 33 243002 (2021).
[Composteur-fontaine]:https://www.radiofrance.fr/francebleu/podcasts/l-eco-d-ici/video-le-composteur-fontaine-pour-lever-le-frein-du-compostage-2787879
[Lee(2018)] : Lee E. et al., Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides and Metal Oxide Hybrids for Gas Sensing, ACS Sensors, 3, pp. 2045−2060 (2018).
[Liu(2012)] : Liu et al., A Survey on Gas Sensing Technology, Sensors, 12, pp. 9635-9665 (2012).
[Castillo(2023)] Castillo I., et al., Metal-insulator crossover in monolayer MoS2, Nanotechnology 34 335202 (2023).
[Mosser(2017)] : Mosser V. et al., A Spinning Current Circuit for Hall Measurements Down to the Nanotesla Range, IEEE Trans. on Instr. And Meas., 66, (2017).
[Nachawaty(2018)] A Nachawaty A., et al., Large nonlocality in macroscopic Hall bars made of epitaxial graphene, Physical Review B 98 (4), 045403 (2018).

Mots clés

Graphène, Dichalcogénures, Capteur