Thèse Capteurs Optiques et Électrochimiques à Base de Nanotubes de Carbone Monofeuillets H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier École doctorale : I2S - Information, Structures, Systèmes Laboratoire de recherche : L2C - Laboratoire Charles Coulomb Direction de la thèse : Eric ANGLARET ORCID 000000021725984X Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-04T23:59:59 Les nanotubes de carbone monofeuillets (SWNT) présentent des propriétés optiques et électriques singulières, très sensibles à leur structure et à leur environnement physico-chimique. Ces propriétés, associées à leur grande surface spécifique, aux possibilités multiples de fonctionnalisation chimique, et à leur biocompatibilité dans certaines conditions [Bianco 2011], en font des candidats de choix pour développer des capteurs.

L'équipe « Nanomatériaux » (NMAT) du L2C travaille depuis de nombreuses années sur les propriétés optiques des SWNT dispersés dans des fluides complexes [Zamora 2008, Torres-Canas 2015]. Des travaux récents ont été consacrés à l'étude de capteurs thermo-sensibles [Serodre 2025] et de bio-capteurs [Chavignon 2026]. L'équipe Smarties du LIRMM développe les transistors à effet de champ (FET) à base de SWNT (SWNT-FET), et étudie leurs applications comme capteurs et biocapteurs électrochimiques à forte sensibilité et sélectivité [Belgaid 2025], et sur leurs perspectives de valorisation dans le cadre d'un projet FETLAB.

Ce projet de thèse interdisciplinaire vise à préparer, et comparer, des capteurs optiques et électrochimiques à base de SWNT fonctionnalisés. Des étapes communes de formulation, de préparation et de caractérisation des SWNT permettront de contrôler leur diamètre, leur longueur, leur dispersion à l'échelle individuelle, et si besoin leur tri en diamètre et métalliques vs semi-conducteurs. Les études optiques seront réalisées sur des suspensions aqueuses, dans lesquelles les SWNT sont dispersés par sonication en présence de chaînes polyélectrolytes qui s'enroulent autour (par défaut la carboxy-méthylcellulose), ou de fonctions pyrènes qui s'adsorbent sur leur surface par interactions Pi-Pi. Des signatures intenses sont observées en absorption et de photo-luminescence (PL) proche infra-rouge (dans la fenêtre spectrale biologique, ce qui permet de réaliser des études in vivo et in vitro). Ces signatures dépendent du diamètre des nanotubes ce qui permet de sélectionner une sonde adaptée à une fenêtre spectrale donnée, ou de travailler avec une série de sondes. Leur caractère excitonique les rend très sensibles à leur environnement diélectrique, et notamment à l'adsorption de molécules [Chavignon 2026] ou aux changements de conformation [Torres-Canas 2011, Serodre 2024] sur leur surface. Les études électrochimiques seront réalisées sur des SWNT-FET à grille liquide, où la modulation du courant s'effectue via un électrolyte jouant simultanément le rôle de diélectrique de grille et de milieu d'interaction avec l'environnement chimique [Lu 2025, Elli 2025, Li 2023]. Leur préparation repose sur des procédés lithographiques conventionnels et des étapes de traitement maîtrisées par l'équipe du LIRMM, garantissant à la fois la reproductibilité et l'homogénéité des performances électriques des dispositifs. Lorsque les SWNT sont fonctionnalisés, les interfaces produisent des doubles couches électriques qui se comportent comme des condensateurs nanométriques de très forte capacité, de sorte qu'une faible variation de potentiel de surface induit une modulation importante de la densité de porteurs dans le nanotube, et donc du courant de drain.

Des applications communes seront par ailleurs visées, notamment la détection du glucose en milieu biologique, et des PFAS en solution aqueuse. Dans les deux cas, le suivi et la quantification de la fonctionnalisation, sera réalisé en spectroscopie couplée Raman/PL. Dans un second temps, la détection du glucose ou des PFAS sera étudiée en parallèle via le signal optique PL de SWNT dispersés, et via le signal électrique des SWNT-FET. Les seuils de détection et les sensibilités seront systématiquement comparés.
Ce projet de thèse interdisciplinaire vise à préparer, et comparer, des capteurs optiques et électrochimiques à base de SWNT fonctionnalisés, en s'appuyant sur les compétences de deux équipes du L2C et du LIRMM : l'équipe NMAT du L2C qui travaille depuis de nombreuses années sur les propriétés optiques des SWNT dispersés dans des fluides complexes, et l'équipe Smarties du LIRMM qui développe les transistors à effet de champ à base de SWNT (SWNT-FET), et étudie leurs applications comme capteurs et biocapteurs électrochimiques à forte sensibilité et sélectivité.

Formation initiale en physico-chimie, physique ou électronique. Une connaissance de la physico-chimie de la dispersion et de la fonctionnalisation des nanotubes de carbone sera appréciée. Une expérience en spectroscopie optique, en préparation de dispositifs en salle blanche, et/ou en mesures électriques serait un atout majeur.