Jury :

Rapporteure: Frédérique Cunin  Directrice de recherche – Institut Charles Gerhardt (ICGM)  Montpellier – en visio

Rapporteure: Caroline Gauchotte-Lindsay Associate professor – University of Glasgow – en visio

Examinateur: Laurent Francis  Professeur – Université Catholique de Louvain la Neuve (UCL)

Examinateur: Stéphane Lenfant Directeur de recherche CNRS (IEMN)

Directeur de thèse: Joël Charrier McF HDR Foton – Université de Rennes

Co-directeur de thèse: Yannick Coffinier Directeur de recherche CNRS (IEMN)

Co-encadrants: Mohamed Guendouz McF HDR Foton – Université de Rennes

Vincent Thomy Professeur Université de Lille

Summary:

Cette thèse s’est déroulée dans le cadre d’un projet MID-VOC financé par l’ANR qui vise à développer un capteur optique intégré innovant utilisant la spectroscopie dans le moyen infrarouge pour détecter des composés organiques volatils (COVs). Ces capteurs sont fabriqués à partir de couches en silicium poreux (SiP) afin de bénéficier des pores ouverts permettant une détection en volume pour obtenir une très faible limite de détection. Ce travail de thèse a été basé principalement sur la chimie de surface et le développement des différents protocoles de fonctionnalisation chimique, organique et inorganique, des monocouches de SiP pour la détection de  deux molécules cibles dans le MIR. Dans une première approche (inorganique), des nanostructures hybrides (Cu/SiP) et (TiO2/SiP) ont été développées pour la détection du diméthyl méthyl phosphonate (DMMP), un simulant du gaz sarin. Dans une approche organique, des groupes fonctionnels d’acide boronique ont été introduits par réaction d’hydrosilylation dans les SiP pour la détection du glucose.
Les nanostructures hybrides développées ont démontré leurs potentiels de détection dans le moyen infrarouge par caractérisation FT-IR, permettant la détection du DMMP et de glucose dans cette région.

Abstract:

This thesis was carried out within the framework of a MID-VOC project financed by the French National Research Agency (ANR) which aims at developing an innovative integrated optical sensor using mid-infrared spectroscopy to detect volatile organic compounds (VOCs).  These sensors are made from porous silicon (SiP) layers in order to provide open pores for volume sensing to obtain a very low detection limit. This thesis work was mainly based on surface chemistry and the development of different chemical functionalization protocols, organic and inorganic, of SiP monolayers for the detection of two target molecules in the MIR.  In a first (inorganic) approach, hybrid (Cu/SiP) and (TiO2/SiP) nanostructures were developed for the detection of dimethyl methyl phosphonate (DMMP), a simulant of sarin gas.  On the other hand, in an organic approach, boronic acid functional groups were introduced by hydrosilylation reaction into SiPs for glucose detection. The developed hybrid nanostructures have demonstrated their mid-infrared sensing potentials by FT-IR characterization, revealing the presence of unique fundamental vibrational molecular fingerprints of DMMP and glucose in this region.