Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux - UMR CNRS 5085




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Thèse de doctoral

Intégration de films minces déposés par pulvérisation cathodique dans des microcapteurs MOS

OFFRE DE THESE

Intégration de films minces déposés par pulvérisation cathodique dans des microcapteurs MOS en vue de leur application dans le domaine de la détection des gaz

Renseignements et contacts :

Merci de bien vouloir envoyer une lettre de motivation et un CV aux deux encadrants.

Encadrant 1 : Lionel Presmanes, Chargé de Recherche HDR (CIRIMAT) : presmane chimie.ups-tlse.fr
Encadrant 2 : Philippe Menini, Professeur UPS (LAAS) : Philippe.Menini laas.fr

Sujet

L’objectif est de développer des micro-capteurs de gaz possédant de nouvelles couches sensibles à base d’oxydes jamais intégrés dans ce type de dispositif. Une plateforme chauffante élaborée par voie microélectronique supportera ces couches d’oxydes métalliques. La mesure se fera par variation d’impédance en fonction de la teneur en gaz cible.

Dans le cadre de cette thèse nous comptons optimiser les propriétés de détection de la couche sensible vis-à-vis des gaz cible selon 2 grands axes : le matériau et le procédé de mesure.

Une part importante de la thèse consistera donc à optimiser la formulation des couches sensibles. Pour cela, l’optimisation des conditions de dépôt par pulvérisation cathodique sera étudiée afin d’obtenir ces oxydes à l’état nanostructurés. La multiplication du nombre de joints de grains et le fort rapport surface/volume liés à la nanostructuration sont favorables à une augmentation de la réponse. Le dopage de la couche avec des métaux nobles ou des oxydes susceptibles de jouer le rôle de catalyseur est également envisagé afin d’exalter les réponses électriques. Le(La) doctorant(e) aura à sa disposition de nombreux moyens d’élaboration (bâti de dépôt RF sputtering), d’analyses et caractérisations des structures (GXRD, Raman), microstructures (microscopie AFM, MEB et MET, mesure de surface BET) et propriétés électriques (mesures 4 pointes, mesure sous gaz) des films minces. En parallèle le doctorant sera amené à formaliser un modèle numérique pouvant rendre compte des effets de la nanostructuration (accroissement de l’effet de surface par rapport à l’effet de cœur) sur les films minces dans l’environnement COMSOL®.

La fabrication de la plateforme chauffante est maîtrisée par le LAAS et le challenge se situe ici dans l’intégration des couches sensibles. Le doctorant développera un procédé d’intégration particulièrement simple qui utilise des micro-masques en polymère faciles à mettre en œuvre.

L’optimisation du mode de mesure du capteur constitue le second axe majeur de la thèse. En effet, la plateforme chauffante sur membrane permet de chauffer en moins de 50 ms et le recourt à un chauffage de la couche sensible en mode cyclé apporte alors une solution pertinente pour améliorer la sélectivité des capteurs vis-à-vis de l’humidité où d’autres gaz. L’expérience du LAAS dans l’optimisation du traitement du signal et dans la discrimination des signaux dans des environnements gazeux complexes est un atout pour que le(la) doctorant(e) puisse surmonter ce challenge. Les couches sensibles intégrées dans les micro-plateformes seront donc testées au final dans des atmosphères représentatives de celle normalement rencontrées dans les habitacles ou les bâtiments pour étudier l’influence des gaz interférents sur la réponse des gaz cible (mise en œuvre d’atmosphères complexes).

Domaine d’application

La thèse que nous proposons vise à générer les connaissances permettant à terme la mise au point d’un micro-capteur de gaz miniature (1 à 2 millimètres de large et un demi-millimètre d’épaisseur), peu cher et peu gourmand en énergie (< 50 mW), facilement interfaçable avec les systèmes intelligents et communicants c’est-à-dire pouvant être déployé à grande échelle dans de nombreux endroits (habitacles, bâtiments, objets connectés).

Contexte

Ce travail de recherche sera en temps partagé au sein de deux laboratoires partenaires. Il s’inscrit dans les axes de recherche de l’équipe OVM du CIRIMAT (couches minces nanostructurées, relations microstructure-propriétés, compréhension de mécanismes réactionnels aux interfaces solide-gaz) et de l’équipe MICA du LAAS (intégration optimisée de couches sensibles sur des structures silicium, simulation de mécanismes réactionnels, optimisation du mode de fonctionnement des capteurs).

La bourse est financée par l’Université Fédérale de Toulouse Midi-Pyrénées.

La date de début de thèse : octobre 2017.

Profil du candidat

Compte tenu des compétences transversales nécessaires à l’exécution de ce travail de thèse (matériaux, simulation des propriétés électroniques, micro-technologies, mesure et traitement du signal) les candidatures de personnes ayant un profil Physique des Matériaux seront favorisées.