Transistors à grille électrolytique, Graphène, Inverseur, Capteur ionique, Membrane à ionophore

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.