Fabrication et caractérisation de capteurs de gaz à base de MoS2 et WSe2

Résumé du sujet :
Les problématiques environnementales actuelles nécessitent le développement de capteurs de gaz très sensibles et sélectifs. Des études récentes ont démontré que les dichalcogénures de métaux de transition (semiconducteurs 2D, graphene-like) sont des candidats prometteurs pour de tels capteurs.
Le stagiaire développera des transistors à base de ces matériaux et les caractérisera jusqu’aux études de détectivité sur un banc de test dédié.

Description détaillée du sujet de stage
Contexte et sujet du stage :
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 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].

L’équipe TQNS souhaiterait initier un projet permettant de développer et d’étudier la détectivité de tels composants, et plus particulièrement pour les 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 gaz et dans les mesures de transport électronique dans les matériaux 2D. Le/la stagiaire 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.

Equipe d’accueil :
Notre équipe s’intéresse au graphène et aux dichalcogénures de métaux de transition (TMD) depuis de nombreuses années, en développant des méthodes de croissances de grande surface, ainsi qu’en mettant en évidence leurs propriétés électroniques via des mesures de transport électronique sous champ magnétique et à
basse température[Castillo(2023), Nachawaty(2018)]. Nous avons récemment fait
l’acquisition d’un système de transfert permettant d’exfolier et de développer des hétérostructures à base
de matériaux lamellaire en environnement contrôlé.
Par ailleurs, nous avons développé un banc de test afin de caractériser la sensibilité et la sélectivité en gaz des matériaux 2D étudiés dans l’équipe mais aussi pour calibrer des capteurs commerciaux en vue de leur utilisation dans des applications dédiées à l’environnement, en particulier le composteur instrumenté de la FDE [+ d’informations, Composteur Fontaine(2023)].

Tâches et objectif :
Le ou la stagiaire participera avec un étudiant en thèse et les encadrants à l’optimisation de la fabrication d’hétérostructures (contrôle des épaisseurs, optimisation de la taille des échantillons, de l’état de surface,...), aux étapes de micro/nanofabrication des capteurs dans la salle blanche de la Centrale de Technologie en Micro et nanoélectronique de Montpellier (CTM) afin d’obtenir des composants de type transistor (sur lesquels une tension de grille peut être appliquée afin de moduler leur dopage et propriétés électroniques). La caractérisation optique et électrique de ces échantillons sera menée au L2C avant et après microfabrication. Le/la stagiaire sera amené à réaliser en autonomie les mesures électroniques et les tests préliminaires dans le banc de test gaz pour, in fine, envisager son utilisation comme capteur de gaz.

Le développement du capteur s’articulera autour de différentes étapes :

• Exfoliation et transfert des couches de MoS2 et/ou WSe2 d’épaisseur nanométrique avec le système dédié.
• Vérification optique de la qualité des échantillons avant connexion (microscope équipé pour la réflectométrie, spectromètre Raman).
• Microfabrication en salle blanche (lithographie optique et électronique, gravure, dépôt de contacts métalliques) .
• Caractérisation électrique des composants obtenus (testeur sous pointe, système de magnétorésistance à température ambiante et variable, mesures capacitives,...). Celle-ci permettra de vérifier la modulation de la densité de porteurs via la tension de grille, la mobilité des électrons et le type de contacts (ohmique, Schottky,...).
• Sensibilité à un mélange gazeux (V/ppm) en fonction de paramètres physique et électroniques (n,μ, Vg, T)
• Fonctionnalisation de la surface active par dépôt de NP d’ordinateurs
• Sélectivité à l’un des gaz d’intérêt (CO2 ou CH4).

Compétences recherchées
La candidate ou le candidat doit être en finalisation de son diplôme de 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 pour mener le travail avec abnégation.

Références
[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).
Nachawaty(2018)] A Nachawaty A., et al., Large nonlocality in macroscopic Hall bars made of epitaxial
graphene, Physical Review B 98 (4), 045403 (2018).

Axe et/ou équipe : Transport quantique et nouveaux systèmes 2D (TQNS)
Responsables du stage :
Sébastien Nanot,
Christophe Coillot

Possibilité de poursuivre en thèse : souhaitée (recherche de financements en cours, soutien pour une candidature de bourse ministérielle)