Un capteur de gaz miniature à base de nanotubes de carbones

Crédits image : Salomé Forel

“There's Plenty of Room at the Bottom”: dans un discours fondateur pour les nanotechnologies, le physicien Richard Feynman incitait les chercheurs du monde entier à explorer le « monde » de l’infiniment petit. Soixante ans plus tard, les découvertes continuent et les applications se multiplient. L’exploration de l'infiniment petit a ainsi conduit à la découverte et la synthèse de nouveaux matériaux nanométriques (un nanomètre = un milliardième de mètre = un cent-millième de l’épaisseur d’un cheveu).

L’équipe de recherche de Costel-Sorin Cojocaru, directeur de recherche CNRS au Laboratoire de physique des interfaces et couches minces (LPICM*) s’intéresse en particulier aux nanotubes de carbone et à leur utilisation dans les capteurs. Grâce au financement de la Chaire André Citroën, ils ont réalisé un dispositif électronique permettant la détection du dioxyde d’azote (NO2) présent dans l’atmosphère à des concentrations extrêmement faibles (inférieure au ppm). Leurs travaux sont publiés dans la revue scientifique Nanoscale Advances.

Les nanotubes de carbone

Les nanotubes de carbone mono-paroi sont de ces matériaux emblématiques des nanotechnologies qui ne cessent de révéler leurs incroyables propriétés mécaniques, optiques ou encore électroniques depuis leur découverte il y a 30 ans.

Ils sont extrêmement sensibles à leur environnement : la présence de molécules à proximité peut induire une modification mesurable de certaines de leurs propriétés. Cette sensibilité en fait d’excellents candidats pour être utilisés dans des capteurs.

Des capteurs pour mesurer la pollution

Pour lutter contre la pollution de l’air, il faut avant tout pouvoir la mesurer. Le développement de capteurs de gaz toxiques et/ou polluants est ainsi d’une importance capitale.
L’utilisation de nanotubes de carbone dans ces capteurs est particulièrement convoitée car elle permettrait de miniaturiser les dispositifs.

Lorsque les nanotubes sont utilisés comme canaux de conduction dans un transistor à effet de champs (composant électronique se comportant comme un interrupteur pour le courant), leur sensibilité à la présence de certaines molécules induit une modification de la réponse du transistor permettant leur détection.

Cependant, les courants mesurés dans ce type de dispositifs étant très faibles, ils nécessitent l’utilisation d’amplificateurs et d’une chaîne de mesure qui va à l’encontre d’une potentielle miniaturisation des dispositifs, et qui en augmente considérablement la consommation d’énergie.

Vers des capteurs plus efficaces

C’est pour répondre à ces enjeux environnementaux que l’équipe de Costel-Sorin Cojocaru avec Salomé Forel, Leandro Sacco, Alice Castan et Ileana Florea, experts des nanotubes de carbone, de leurs synthèses jusqu’à leurs intégrations dans des capteurs, a réalisé une étude publiée en couverture du journal Nanoscale Advances. En s’appuyant sur un brevet et deux précédentes études financées principalement par la Chaire André Citroën, ils ont utilisé des nanotubes de carbone monoparoi (SWCNTs) dans un dispositif électronique permettant la détection du dioxyde d’azote (NO₂) présent dans l’atmosphère à des concentrations inférieures au ppm.

L’innovation de ce travail réside dans le couplage de deux transistors à base de nanotubes pour former un inverseur, ou une porte logique. Dans cette configuration, la détection des molécules de gaz se fait par la mesure de la modulation de la tension de sortie de cet inverseur - de l’ordre de grandeur d’un volt - ne nécessitant pas la chaine de mesure complexe et énergivore précédemment évoquée.

Ce dispositif est aussi potentiellement très versatile, car les nanotubes de carbone peuvent être rendus sensibles à diverses molécules par voie de fonctionnalisation, c’est-à-dire en fixant sur les nanotubes d’autres molécules qui rendent leur sensibilité spécifique à d’autres gaz.

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*LPICM : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris