Conception et caractérisation de capteurs plasmoniques et conductimétriques dédiés à la mesure de NO2 et O3 pour le contrôle de la qualité de l'air - Université Clermont Auvergne Access content directly
Theses Year : 2023

Design and characterisation of optical and conductimetric sensors dedicated to NO2 and O3 measurement for air quality control

Conception et caractérisation de capteurs plasmoniques et conductimétriques dédiés à la mesure de NO2 et O3 pour le contrôle de la qualité de l'air

Thiaka Gueye
  • Function : Author
  • PersonId : 1349811
  • IdRef : 275554201

Abstract

This manuscript is devoted to the development and characterization of microsensors dedicated to the monitoring of environmental gaseous pollutants implementing two transduction modes: conductimetric transducer and plasmonic transducer (SPR). The plasmonic micro-sensors exploit a new phenomenon denominated as the energy switch effect and is based on the measurement of the intensity of the 0 and -1 propagative orders, which greatly simplifies its implementation. Sensitive materials deposited on the transducers as nanolayers are selected according to their preferential interactions with the targeted pollutants. Both powder and thin film functional materials were characterised for chemical purity, deposited thicknesses, crystal structures and morphologies. Thin layers of copper phthalocyanine (CuPc) are used as sensitive coatings. Micro-sensor responses towards several oxidizing and reducing pollutants have been determined and the influence of sensing layer thickness on sensitivity has been established. Plasmonic micro-sensors coated by nanometric layers of copper phthalocyanine exhibit high magnitude responses to reducing gases as NO, NH3 and H2S as compared to the low magnitude responses to oxidizing pollutants. Thus, reducing gases induce significant variation of optical index of copper phthalocyanine layer. Conductimetric micro-sensors coated by nanometric layers of copper phthalocyanine maintained at low working temperature (60°C) give high sensitivities, high resolution, a high level of repeatability as well as a limit of detection below than 1 ppb towards oxidizing pollutants et more especially to NO2. All the experimental results highlight that the transduction mode greatly impacts the nature of the detected gases, even if the sensitive material remains unchanged.
Ce manuscrit est consacré au développement et à la caractérisation de micro-capteurs destinés à la surveillance des polluants gazeux environnementaux mettant en œuvre deux modes de transduction : la transduction conductimétrique et la transduction plasmonique (SPR). Les micro-capteurs plasmoniques exploitent un nouveau phénomène qualifié d'effet de bascule énergétique (switch effect) et est basée sur la mesure de l'intensité des ordres propagatifs 0 et -1, ce qui simplifie grandement sa mise en œuvre. Les matériaux sensibles déposés sur les transducteurs sous forme de nanocouches sont sélectionnés en fonction de leurs interactions préférentielles avec les polluants ciblés. Les matériaux fonctionnels sous forme de poudre et de films minces ont été caractérisés pour déterminer leur pureté chimique, les épaisseurs déposées, leurs structures cristallines et leurs morphologies. Des couches minces de phtalocyanine de cuivre (CuPc) et d'indigo sont utilisées comme couches sensibles. Les réponses des tels micro-capteurs vis-à-vis de nombreux polluants oxydants et réducteurs ont été déterminées et l'influence de l'épaisseur de la couche sensible sur la sensibilité de ces micro-capteurs a été démontrée. Les micro-capteurs à transduction plasmonique revêtus par des couches nanométriques de phtalocyanine de cuivre montrent des réponses d'amplitudes significatives aux gaz réducteurs tels que NO, NH3 et H2S et de faibles amplitudes vis-à-vis des polluants oxydants. Les gaz réducteurs engendrent des variations significatives de l'indice optique de la couche de phtalocyanine de cuivre. Les micro-capteurs à transduction conductimétrique revêtus par des couches nanométriques de phtalocyanine de cuivre maintenues à faible température (60°C) présentent quant à eux, des sensibilités élevées, une haute résolution de mesure et une limite de détection inférieure au ppb avec un haut degré de répétabilité vis-à-vis des polluants oxydant et plus particulièrement du NO2. L'ensemble des résultats expérimentaux met en évidence que le mode de transduction impacte fortement la nature des polluants détectés même lorsque le matériau sensible reste inchangé.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-04448168 , version 1 (09-02-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04448168 , version 1

Cite

Thiaka Gueye. Conception et caractérisation de capteurs plasmoniques et conductimétriques dédiés à la mesure de NO2 et O3 pour le contrôle de la qualité de l'air. Electronique. Université Clermont Auvergne, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UCFA0068⟩. ⟨tel-04448168⟩
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