Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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94 Des matériaux pour les technologies de l’information et de la santé Le diamant, matériau ultime pour la fabrication de capteurs En réunissant un ensemble de propriétés notables, le diamant peut s’utiliser dans un grand nombre de situations où ses caractéristiques lui confèrent des performances remarquables – par exemple, la fabrication de capteurs et de transducteurs : transducteurs de type MEMS, capteurs SAWs ou pour la fabrication d’électrodes en électrochimie. Surface d’un diamant polycristallin de synthèse grossi 800 fois. CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 C omparé à des matériaux comme le silicium (Si) ou le carbure de silicium (SiC), le diamant offre une combinaison de propriétés électroniques, thermiques, optiques et mécaniques très exceptionnelle (voir tableau). Il s’agit d’un matériau semi-conducteur optiquement transparent, d’une biocompatibilité proche de celle du verre et présentant des propriétés Tableau. Propriétés physiques du diamant et comparaison avec le silicium et le carbure de silicium. mécaniques et chimiques remarquables. Ici, nous verrons, plus spécifiquement, comment il est mis en œuvre pour la fabrication de certains capteurs et notamment ceux dont le mode de transduction est mécanique (les MEMS pour Micro Electro-Mechanical Systems), acoustique (SAW pour Surface Acoustic Waves) ou électrochimique (électrodes). propriété siliciun carbure de silicium diamant module d’Young (Gpa) 150 450 1 050 coefficient de Poisson 0,3 0,14 0,1 dureté (kg/mm 2) 1000 3 200 7 000 résistance à la fracture (Gpa) 1 5,2 5,3 résistance à la flexion (Mpa) 127,6 670 2 900 coefficient de friction 0,4 - 0,6 0,2 - 0,5 0,01 - 0,04 largeur de bande interdite (eV) 1,1 2,9 5,5 mobilité des électrons à 300 K (cm 2/V/s) 1 400 1000 2 200 mobilité des trous à 300 K (cm 2/V/s) 600 50 1 600 conductivité thermique 283 K (W/cm/K) 2 5 20 vélocité acoustique (km/s) 8 13 18 densité 2,1 3,2 3,5 P.Grippe/Signatures/CEA
Ses performances, le diamant les doit à la fois : • à ses propriétés intrinsèques mécaniques, optiques, thermiques, physicochimiques, acoustiques ; • à sa composition à base de carbone permettant la fonctionnalisation par accrochage covalent de groupements spécifiques chimiques, biologiques : enzymes, protéines, ADN pour des capteurs fonctionnant par approche biomimétique ; • à ses propriétés semi-conductrices permettant la fabrication de composants électroniques ; • à ses performances électrochimiques : stabilité, inertie, grand potentiel électrochimique ; • à sa biocompatibilité pour les applications invivo. Reste qu’en raison de la rareté du diamant à l’état naturel, les chercheurs ont dû le synthétiser : depuis 1997, le Laboratoire capteurs diamant (1) table sur le dépôt chimique en phase vapeur (CVD/Chemical Vapor Deposition). Utilisé, à l’origine, pour les détecteurs de rayonnements, ce procédé se trouve aujourd’hui plus particulièrement dédié à la fabrication de dispositifs pour les technologies de l’information et de la santé. Il consiste en un dépôt de films minces à partir de précurseurs gazeux (méthane et d’hydrogène) dans un plasma micro-ondes, à des pressions typiques de 100mbar et des températures de 700 °C, en utilisant divers substrats comme le silicium, le verre, le quartz... En fonction du procédé d’élaboration, les matériaux peuvent être isolants (détecteurs, dosimètres, couches de dissipation thermique, fenêtres optiques...) ou conducteurs pour la réalisation d’électrodes dédiées aux applications électrochimiques, thermo-ioniques, de bioénergie... Il s’agit aussi d’un procédé particulièrement bien adapté à la fabrication de capteurs. Dans ce cadre, l’équipe du Laboratoire capteurs diamant se positionne à la convergence de plusieurs collaborations pluriannuelles européennes. Ici, nous détaillerons quelques domaines d’application : la fabrication de capteurs chimiques à base de poutres, la fonctionnalisation de résonateurs SAWs et la fabrication d’électrodes.• La fabrication de capteurs chimiques à base de poutres (microleviers) de type MEMS (2), en diamant, est utilisée pour la détection chimique (biologie, stupéfiants...). Croissance du diamant dans un réacteur de dépôt en phase vapeur (CVD/Chemical Vapor Deposition) assistée par plasma micro-ondes. P.Stroppa/CEA• La fonctionnalisation de résonateurs SAWs(3), c’està-dire le dépôt, sur leur surface, d’une couche sensible rendant la détection spécifique à un composé ou à une famille de composés ; cette technique s’utilise, par exemple, pour la détection spécifique de toxiques chimiques et d’explosifs (en collaboration avec des équipes du CEA/Le Ripault).• La fabrication d’électrodes : ce type de capteurs électrochimiques en diamant offre une grande stabilité et une forte réactivité ; ils permettent la détection de composés chimiques, par voie électrochimique, en milieu liquide ; les principales applications touchent le domaine des mesures environnementales de traces (métaux lourds, polluants...) ou de la biologie (mesures dans les urines, interfaces neuronales...). (1) Composante du Laboratoire d’intégration des systèmes et des technologies (List) à la Direction de la recherche technologique (DRT) du CEA. (2) La fabrication des MEMS s’appuie sur les microtechnologies. Il s’agit ici de poutres vibrantes dont les performances en vibration permettront de connaitre leur masse, donc la présence de composés chimiques sur leur surface. Leur sélectivité à certains composés fait qu’on peut les utiliser comme transducteurs mécaniques. (3) La fabrication des SAWs s’appuie sur la création d’une onde acoustique sur une surface. À la manière d’une vague, la présence de composés chimiques, sur la surface, perturbe la propagation de cette onde acoustique et permet ainsi de détecter certains composés pour les utiliser comme transducteurs acoustiques. Dispositif SAWs pour capteurs chimiques. Mesure in situ de l’épaisseur synthétisée du diamant durant le dépôt. P.Stroppa/CEA P.Stroppa/CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 95



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