En vedette - Un nouveau capteur optique capable de «voir» des produits chimiques dangereux
Les capteurs ont été conçus dans le cadre du projet Dotsense *, à partir de l'utilisation innovante de points quantiques et de nanofils (de minuscules semi-conducteurs des milliers de fois plus fins qu'un cheveu). Le matériau choisi est un semi-conducteur du groupe nitrure-III (Al,In)GaN, chimiquement stable avec d'excellentes propriétés optoélectroniques. La photoluminescence des structures change dès la moindre évolution de l'environnement chimique. «À ce jour, la technologie de capteurs a eu recours à bien des approches, y compris l'utilisation de nanofils en tant que capteurs chimiques, mais en général elles reposent sur la conductivité électrique. Ce qui veut dire qu'il faut mettre des contacts électriques et faire passer un courant pour mesurer la résistance électrique du nanofil selon son environnement chimique», explique le Dr Martin Eickhoff, coordinateur du projet Dotsense à l'université Justus-Liebig de Giessen en Allemagne. «Avec notre méthode, ce n'est plus nécessaire. Notre solution s'appuie sur une analyse totalement optique.» Au lieu de faire passer un courant dans les nanostructures et de mesurer la résistance, l'équipe de Dotsense a créé un capteur intégré dont le fonctionnement est totalement optique. Le capteur optique est fait de millions de «points quantiques» ou de «nanodisques» de GaN ou InGaN organisés en nanofils. Il est placé dans l'environnement liquide ou gazeux à surveiller, et on envoie une lumière d'excitation à travers une partie transparente qui sert également de fenêtre de scellement. La photoluminescence des nanostructures change selon les espèces chimiques qui les entourent, ce qui modifie l'intensité de la lumière émise par le transducteur. Ce changement se détecte à l'aide de photodétecteurs disponibles dans le commerce. «Nous bénéficions de la sensibilité chimique et du grand rapport surface/volume des nanostructures, sans mettre en œuvre une technologie de traitement plus complexe. D'un point de vue technologique, ce genre de capteur est bien plus facile à installer et utiliser», souligne le Dr Eickhoff. La nouvelle approche a de nombreux avantages. Elle est moins complexe car elle se passe de contacts électriques et de systèmes de mesure: la lumière suffit. Ces capteurs fonctionnent à une température bien plus basse que les systèmes classiques. Et comme ils n'utilisent que de la lumière et qu'aucun courant électrique ne traverse le milieu surveillé, cette technique est bien plus sûre, notamment si le gaz ou le liquide est inflammable, sous pression ou explosif. EADS Innovation Works, un membre du consortium de Dotsense, est intéressé par l'utilisation des capteurs opto-chimiques dans l'aérospatiale, où la sécurité et la solidité sont des priorités majeures. «Sur un avion, ces capteurs pourraient surveiller la qualité de l'eau, les fluides hydrauliques et les fuites de gaz ou de carburant», constate le Dr Eickhoff. «Lorsque nous avons démarré le projet, l'aéronautique était notre cible principale, mais nous avons rapidement compris que cette technologie pouvait s'utiliser dans bien d'autres secteurs.» Plus sensible que les capteurs électriques. Le projet Dotsense, soutenu à hauteur de 1,2 million d'euros par la Commission européenne, avait comme but premier de concevoir des capteurs chimiques exempts de contacts électriques. Cependant, l'équipe a constaté dans plusieurs cas que sa solution optique était plus sensible que les équivalents électriques. «Le but n'était pas de faire un dispositif très sensible, mais il s'est avéré que ces nanostructures optiques sont en fait bien plus sensibles que les capteurs électriques», déclare le Dr Eickhoff. «Nous espérions que ce serait le cas, mais sans aucune garantie avant de faire les tests. Associé aux autres avantages, cette propriété ouvre toute une gamme d'utilisations.» Il souligne ainsi la détection de gaz dans les environnements industriels, des détecteurs de fumée pour la maison, et des utilisations dans les secteurs de la santé ou alimentaire pour tester la composition de liquides. «Ce genre de capteurs a de nombreux usages possibles. De fait, bien des secteurs de l'industrie apprécient l'idée de ne pas avoir de composants électriques et de courant qui circulent sur leur lieu de travail: la sûreté et la fiabilité sont donc des avantages clés de cette technologie», explique le coordinateur de Dotsense. Néanmoins, la technologie n'est pas encore commercialisable. L'équipe de Dotsense a résolu les principales difficultés techniques, par exemple en déplaçant vers le visible la fréquence de la photoluminescence des capteurs, afin de l'exciter avec des LED et de la détecter avec des photodétecteurs classiques et relativement bon marché, ou encore de contrôler la croissance des nanostructures et de comprendre les phénomènes photoélectriques survenant à leur surface dans différents environnements chimiques. Mais davantage de travaux sont nécessaires, constate le Dr Eickhoff. C'est en partie dans ce but que des membres de l'équipe ont lancé un projet national de suivi, nommé «Sinomics», dans lequel ils intégreront sur la même puce les LED, les photodétecteurs et les nanostructures, afin de réaliser des systèmes innovants pour détecter et mesurer les gaz. «Je suis optimiste sur le fait que cette technologie trouvera plusieurs utilisations et deviendra moins coûteuse et donc commercialement plus viable, afin de démarrer la production de capteurs uniquement optiques», conclut le Dr Eickhoff. Le projet Dotsense a été financé au titre du septième programme-cadre (7e PC) de l'Union européenne. Liens utiles: - site web du projet «Group III-nitride quantum dots as optical transducers for chemical sensors» - fiche d'informations du projet Dotsense sur CORDIS Articles connexes: - Une équipe de l'UE teste un nouveau matériau semi-conducteur - Un projet européen cherche à durcir l'électronique destinée aux environnements extrêmes - Le projet NEMSIC de l'UE souhaite améliorer la technologie des capteurs