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Theses Year : 2011

Design and study of gas sensor based on carbon nanotubes transistors.

Etude et réalisation de transistors à nanotubes de carbone pour la détection sélective de gaz.

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Abstract

This work focuses on sensor based on carbon nanotube field effect transistors (i.e. CNTFETs) modulated chemically. This new generation of sensors has many advantages: compact and inexpensive, they can be integrated in ultrasensitive and autonomous detection systems. The civilian security market is targeted, particularly punctual and network detection of warfare and explosive agent. In order to achieve a scalable and highly reproducible fabrication, which is not possible for a single carbon nanotube transistor, we propose to achieve CNTFETs using random mats of Single Wall carbon nanotubes (CNT). The first part of our work has dealt with the development of a deposition method of CNT mats using an airbrush technique assisted by an automated robot. Commercial carbon nanotubes powders are dispersed in a specific solvent and then deposited randomly by atomization of micro droplets on a hot substrate. The random mats obtained with this technique are extremely uniform (density) and allow to achieve arrays of CNTFETs with reproducible electrical characteristics. The second part has concerned the development of an array of CNTFETs with different metal electrodes (platinum, palladium, gold, nickel, titanium) to address the problem of selectivity of this kind of device. We identify a sort of electronic fingerprinting exploiting the specific interaction of each gas with each metal/SWCNTs junction. This interaction changes in an extremely specific way the transfer characteristics of the CNTFETs. We have demonstrated a sensitivity and selectivity to ammonia, nitrogen dioxide, and dimethyl methylphosphonate (sarin gas simulant) and hydrogen peroxide. These devices, thanks to their relatively low cost fabrication and high selectivity, have the potential to strike the market within a few years.
Ce travail de thèse porte sur la réalisation d'un capteur d'espèces chimiques gazeuses à partir de transistors à nanotubes de carbone à effet de champs (i.e. CNTFET). Cette nouvelle génération de capteurs présente de nombreux avantages : compacts et bas coût, ils peuvent être intégrés dans des systèmes de détection ultrasensibles et autonomes. Ils sont destinés à des applications de sécurité civile ponctuelle ou en réseau comme la détection de gaz d'attaque ou d'explosifs. Nous proposons la réalisation de transistors à tapis aléatoires de nanotubes de carbone. L'utilisation de ces tapis permet de résoudre les problèmes de fabrication en quantité et de reproductibilité rencontrée avec les transistors à un seul nanotube. La première partie de nos travaux repose sur la mise au point d'une méthode de dépôt de tapis de nanotubes à l'aide d'un aérographe assisté d'un robot automatisé: des poudres commerciales de nanotubes de carbone sont mises en solution puis déposées de manière aléatoire par atomisation de micro gouttes de solvant. Les tapis ainsi obtenus permettent de réaliser en grand nombre de transistors avec des performances électriques reproductibles. La seconde partie présente le développement d'une matrice de transistors composée par des électrodes de différente nature (platine, palladium, or, nickel, titane) afin de répondre au problème de la sélectivité pour la détection gazeuse rencontré par ce type de dispositif. Ainsi nous discriminons les gaz en réalisant une empreinte électronique exploitant la modification spécifique des caractéristiques des différentes jonctions métal/nanotubes, et donc des caractéristiques de transfert des CNTFETs. Notre capteur présente une sensibilité et une sélectivité à l'ammoniac, au dioxyde d'azote, au diméthyle methylphosphonate (simulant du gaz sarin) et à l'eau oxygénée. La production en grand nombre de ces éléments permet de valider le potentiel industriel de ces capteurs.
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Dates and versions

pastel-00695013 , version 1 (08-05-2012)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00695013 , version 1

Cite

Louis Gorintin. Etude et réalisation de transistors à nanotubes de carbone pour la détection sélective de gaz.. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Ecole Polytechnique X, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00695013⟩
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