Développement de la transduction microonde appliquée à la détection d'ammoniac.

282 Pages·2017·12.36 MB·French

by  Guillaume Bailly

THÈSE DE DOCTORAT DE L’ÉTABLISSEMENT UNIVERSITÉ BOURGOGNE FRANCHE-COMTÉ
PRÉPARÉE À L’UNIVERSITÉ DE BOURGOGNE
Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB, UMR 6303), Département Interfaces,
Groupe d’Études et de Recherches sur les Microondes (GERM)

École doctorale n°553
Carnot - Pasteur

Doctorat de Chimie Physique

Par
Guillaume Bailly

Développement de la transduction microonde appliquée
à la détection d'ammoniac.
Du nanomatériau au capteur large bande, compréhension des mécanismes
et influence des traces d'eau.

Soutenue à Dijon le 07 décembre 2017

Composition du Jury :

M. Gautier Brice Professeur, INSA Lyon Président
Mme Jaffrezic-Renault Nicole Directeur de Recherches, Université Claude Bernard Lyon I Rapporteur
M. Brunet Jérôme Maître de Conférences HDR, Université Blaise Pascal Clermont-Ferrand II Rapporteur
M. Berthelot Brice Docteur, Environnement S.A. Examinateur
M. Stuerga Didier Professeur, Université de Bourgogne Franche-Comté Directeur
M. Rossignol Jérôme Maître de Conférences HDR, Université de Bourgogne Franche-Comté Codirecteur
M. Pribetich Pierre Professeur, Université de Bourgogne Franche-Comté Codirecteur
M. Moos Ralf Professeur, Université de Bayreuth, Allemagne Invité

Remerciements

Tout d’abord, je remercie messieurs Didier Stuerga, Jérôme Rossignol et Pierre Pribetich,
qui ont encadré mon travail durant ces trois années de doctorat. Particulièrement, je tiens à
remercier Didier Stuerga, qui de par son enseignement vivant et passionné m’a donné envie de faire
de la Chimie alors que j’étais étudiant en deuxième année de biologie.
Également, je remercie monsieur Brice Gautier, Professeur à l’INSA de LYON, qui a
accepté de présider mon jury de thèse. Je remercie madame Nicole Jaffrezic-Renault, Directeur de
Recherche à l’Université Claude Bernard de Lyon, ainsi que monsieur Jérôme Brunet, Maître de
Conférences à l’Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand, qui ont accepté de rapporter ce
travail. Je remercie également monsieur Brice Berthelot, de la société Environnement S.A., qui l’a
examiné.
Merci à Amal Harrabi qui a activement participé à l’élaboration des nouvelles générations
de capteurs microondes lors de son stage de post-doctorat. Notamment, ses travaux de simulations
ont permis de déterminer les structures les plus adaptées à mon travail.
Merci à Brice de Fonseca pour son aide quotidienne lors de ma première année de thèse.
Ses connaissances sur la technologie et le banc expérimental déjà en place au sein de l’équipe ont
été d’une aide précieuse qui m’a permis de me familiariser avec la transduction microondes.
Merci à Jordan Dufresne qui, lors de son stage de Master 2, m’a aidé à refondre le code du
banc de mesure. Ses travaux sur LabView ont permis d’exploiter au mieux les données collectées
lors des expériences de détection de gaz.
Merci à Morgane Michel, doctorante au sein du GERM, pour son aide quotidienne, ainsi
que pour sa relecture profonde du manuscrit et du diaporama de soutenance.
Merci à Christophe Lohr qui m’a permis d’avoir accès aux références commerciales de
dioxyde de titane utilisées durant mes travaux.
Merci également à Valentin Collin qui, lors de son stage de Master 2, m’a accompagné
quotidiennement avec ses connaissances sur le domaine des radiofréquences.
Merci à Thérèse Leblois, Professeur à l’Université de Franche-Comté, pour avoir réalisé
des capteurs au sein des salles blanches de FEMTO-ST.
Merci à Bruno Domenichini pour sa disponibilité et pour les expériences réalisées à Prague
en NAP-XPS. Merci également à Jean-Pierre Bellat, Igor Bezverkhyy et Maxence Giraudet pour
leur disponibilité lors des caractérisations ATG et MS de mes échantillons. Particulièrement, merci
à Maxence pour les deux jours d’expériences que nous avons réalisées avec le spectromètre de
masse.
Merci à Nicolas Geoffroy, Frédéric Herbst, Rémi Chassagnon et Maxime Guérineau pour
les caractérisations DRX, MET et MEB que nous avons réalisées sur mes nanomatériaux.
Merci à Emmanuel Couqueberg pour son travail sur le banc expérimental et
particulièrement sur la nouvelle cellule de mesure qu’il a réalisée. Merci également à Michel Brion,
Stéphane Maître et Claude Febvre.
Merci au personnel administratif, Virginie Bourg, Karine Bernaud, Claudine Jonon,
Nathalie Dufour, pour leur travail et leur bonne humeur quotidienne.
Enfin, et plus largement, merci à ceux qui m’ont aidé durant ces trois années de doctorat.

Table des matières
Introduction générale .............................................................................................................................. 1
Chapitre 1 : Pollution et capteurs de gaz ................................................................................................ 9
1.1. Polluants gazeux : sources, impacts et surveillance ................................................................... 11
1.1.1. L’atmosphère : constituants et polluants ................................................................................ 11
1.1.2. Principaux effets des polluants gazeux ................................................................................... 12
1.1.3. Législation européenne : où en est-on ? ................................................................................. 16
1.1.4. Surveillance de la qualité de l’air............................................................................................. 19
1.2. Capteurs de gaz .......................................................................................................................... 21
1.2.1. Définition des capteurs de gaz ................................................................................................ 21
1.2.2. Les principaux types de capteurs de gaz ................................................................................. 24
1.2.2.1. Les capteurs optiques ........................................................................................................... 26
1.2.2.2. Les capteurs électrochimiques ............................................................................................. 28
1.2.2.3. Les capteurs acoustiques ..................................................................................................... 28
1.2.2.4. Les capteurs conductimétriques .......................................................................................... 29
1.2.3. La littérature sur les capteurs de gaz en quelques chiffres ..................................................... 32
1.2.4. Sélectivité des capteurs de gaz : un objectif réaliste ? ............................................................ 36
1.2.4.1. Limiter le nombre d’interférents .......................................................................................... 39
1.2.4.2. Augmenter le nombre de variables collectées par le capteur ............................................. 41
Chapitre 2 : Microondes et capteurs chimiques basés sur les microondes .......................................... 45
2.1. Microondes et matériaux diélectriques ..................................................................................... 47
2.1.1. Le spectre électromagnétique................................................................................................. 47
2.1.2. Propagation des ondes électromagnétiques........................................................................... 48
2.1.3. Interaction ondes – matière .................................................................................................... 49
2.1.4. Polarisation à basse fréquence : exemple du condensateur .................................................. 51
2.1.5. Polarisations de distorsion et d’orientation ............................................................................ 54
2.1.6. Notion de relaxation diélectrique ........................................................................................... 56
2.1.7. Modèle de Debye .................................................................................................................... 57
2.1.8. Interactions et temps de relaxation ........................................................................................ 60
2.1.9. Intérêt de la relaxation diélectrique pour la détection de gaz ................................................ 64
2.2. Les capteurs chimiques basés sur les microondes ..................................................................... 68
2.2.1. Capteurs de liquides basés sur les microondes ....................................................................... 70
2.2.1.1. Contexte des capteurs de liquides basés sur les microondes .............................................. 70
2.2.1.2. Principe du résonateur perturbé .......................................................................................... 71
2.2.1.3. Vers le concept du laboratoire sur puce, Lab on Chip .......................................................... 77
2.2.2. Biocapteurs basés sur les microondes .................................................................................... 85
2.2.2.1. Contexte des biocapteurs basés sur les microondes ........................................................... 85
2.2.2.2. Biocapteurs passifs basés sur un élément résonant ............................................................ 86
2.2.2.3. Biocapteurs passifs basés sur un élément capacitif ............................................................. 88
2.2.2.4. Biocapteurs basés sur un circuit accordable ........................................................................ 90
2.2.3. Capteurs de gaz basés sur les microondes .............................................................................. 96
2.2.3.1. Contexte des capteurs de gaz basés sur les microondes ..................................................... 96
2.2.3.2. État de l’art sur les capteurs de gaz basés sur les microondes ............................................ 98
Chapitre 3 : Développement du banc de mesure et traitements des données .................................. 107
3.1. Gestion du flux pollué et des profils de concentration ............................................................ 110
3.2. Développement d’une nouvelle cellule de mesure.................................................................. 113
3.3. Acquisition des données ........................................................................................................... 116
3.3.1. Analyseurs de réseau ............................................................................................................ 116
3.3.1.1. Définition des paramètres S ............................................................................................... 117
3.3.1.2. Architecture d’un analyseur de réseau vectoriel ............................................................... 118
3.3.1.3. Notre analyseur de réseau ................................................................................................. 120
3.3.2. Interface LabVIEW ................................................................................................................. 121
3.4. Traitement des données........................................................................................................... 124
3.4.1. Calcul et analyse de spectres différentiels ............................................................................ 124
3.4.1.1. Que disent les spectres différentiels sur les variations diélectriques ? ............................. 125
3.4.1.2. Peut-on dissocier décalage en fréquence et variation d’amplitude ? ............................... 130
3.4.2. Traitement temporel à une fréquence .................................................................................. 132
3.4.3. Suivi d’une fréquence de résonance et du facteur de qualité .............................................. 133
3.4.4. Etablissement de cercles de résonance ................................................................................ 135
3.4.5. Conclusions sur les traitements des données ....................................................................... 136
Chapitre 4 : Élaboration des capteurs microondes ............................................................................. 139
4.1. Principe de la transduction microonde appliquée aux capteurs de gaz .................................. 141
4.2. Cahier des charges des nouvelles générations de capteurs ..................................................... 144
4.3. Circuit interdigité ...................................................................................................................... 148
4.4. Résonateur trapézoïdal ............................................................................................................ 155
4.5. Nos matériaux sensibles ........................................................................................................... 159
4.5.1. Hématite : synthèse et caractérisation des rhomboèdres, pseudocubes et aiguilles .......... 159
4.5.2. Dioxyde de titane : présentation des particules utilisées ..................................................... 164
4.5.3. Méthode de dépôt du matériau sensible .............................................................................. 168
4.6. Conclusions sur l’élaboration des nouveaux capteurs ............................................................. 171
Chapitre 5 : Vers un capteur sensible et multivariable ....................................................................... 173