Matériaux intelligents et objets connectés : un nouveau procédé de fabrication simple et efficace

Au cours des dernières décennies, les dispositifs semi-conducteurs à couche mince d'oxydes métalliques ont généré beaucoup d’intérêt pour diverses applications comme les nanogénérateurs, les capteurs pour la détection biomédicale ou la détection de gaz, les photomémoires et les photodétecteurs. Pour obtenir ces excellentes propriétés, il est nécessaire de déposer une fine couche d'un matériau semi-conducteur sur un substrat, généralement à haute température et sous un vide poussé. Ces procédés de fabrication sont cependant très coûteux et peu flexibles. L’alternative d’une déposition de couches minces à partir de matériaux en solution, par des procédés sol-gel, s’est rapidement développée depuis quelques années. Moins énergivore, ce procédé nécessite néanmoins un retraitement thermique à haute température après déposition pour obtenir les propriétés semi-conductrices de la couche d’oxyde. Ce traitement est malhreuseument incompatible avec les substrats fragiles comme les verres fins, les plastiques souples ou les pièces fabriquées en impression 3D par photopolymérisation, pourtant très recherchés dans de nombreuses applications de capteurs.

Dans ce contexte, des chimistes de l’Institut de sciences de matériaux de Mulhouse (CNRS/Université de Haute Alsace), en collaboration avec une équipe taiwanaise de l’université nationale Yang Ming Chiao Tung à Taiwan, proposent un nouveau procédé de fabrication sol-gel simple et efficace dont l’originalité repose sur l’insertion de nanoparticules d’or à l’intérieur du film semi-conducteur d’oxyde de zinc et indium (IZO). Les nanoparticules d’or jouent un double rôle. Tout d’abord, elles induisent, par effet plasmonique,^* un échauffement local sous l’effet d’un rayonnement infra-rouge (laser), qui permet d’obtenir les propriétés semi-conductrices recherchées de la couche IZO sans affecter le substrat. Qui plus est, elles confèrent au film mince des propriétés photorésistives (la résistivité évolue sous éclairement lumineux) qui permettent la photodétection dans une large gamme de longueur d’onde, de l’UV au proche infrarouge. Ce procédé, présenté dans la revue Advanced Optical Materials, permet d’intégrer en peu d’étapes et avec des moyens très simples un photodétecteur sur un film plastique souple. Ce concept, qui a fait l’objet d’un dépôt de brevet, ouvre la voie vers de nouveaux dispositifs micro-électroniques comme les capteurs chimiques, les capteurs de mouvement, le monitoring du pouls et autres objets connectés.

^*L’effet plasmonique consiste en une vibration collective du nuage d’électrons libres dans un métal sous l’effet d’un champ électromagnétique. Cette vibration résulte en un échauffement local de la matière parfois très élevé pour certaines longueur d’ondes de la source d’excitation.