Note ABES Sensitive and selective detection of organophosphorous compounds with surface-enhanced infrared spectroscopy Détection sensible et sélective de composés organophosphorés par spectroscopie infrarouge exaltée par effet de surface Plasmonique Détection de gaz Spectroscopie infrarouge Semi-conducteurs III-V Nano-antennes Simulations électromagnétiques Composés organophosphorés Epsilon-proche-de-zéro Plasmonics Gas sensing Infrared spectroscopy III-V semiconductors Nanoantennas Electromagnetic simulations Organophosphorous compounds Epsilon-near-zero 530.4 535.8 543.5 Phosphore -- Composés organiques Résonance plasmonique de surface Spectroscopie infrarouge Les agents chimiques de guerre comme les composés organophosphorés (dont le sarin), sont extrêmement dangereux pour l’humain à de très faibles concentrations. Malgré la convention sur l’interdiction des armes chimiques (1997), leur usage persiste et ce faisant ils représentent une menace importante envers les populations civiles et militaires. Dans ce travail, nous proposons un nouveau capteur plasmonique basé sur l’absorption infrarouge exaltée de surface (SEIRA) à partir de semi-conducteurs III-V. La combinaison de la sensibilité et de la sélectivité exaltées, respectivement par les effets plasmoniques et la spectroscopie des modes vibrationnels caractéristiques dans l’infrarouge, associé à la compatibilité CMOS et l’industrie mature des semi-conducteurs, ouvre de nouvelles perspectives pour la détection de molécules dangereuses. De plus, cette solution innovante implémente un matériau ϵ-near-zero (ENZ), une classe émergente de matériaux pour améliorer l’interaction lumière-matière ainsi que le contrôle sur la réponse optique d’une structure plasmonique. Tirant avantage de la structure reconnue métal-isolant-métal, nous avons conçu un dispositif métal-ENZ-métal pour l’étude des phénomènes basés sur l’ENZ et la détection de composés organophosphorés en phase gazeuse. Ces composants ont été employés pour détecter le méthylphosphonate de diméthyle (DMMP), simulant du sarin. Les capteurs conçus et fabriqués ont montré un temps de réponse de 5 minutes et leur sélectivité fut éprouvée avec du benzène et du méthane. Nous avons démontré la détection de DMMP avec une concentration minimale de 100 ppm. Nous avons identifié que le capteur est sensible à la formation d’une monocouche de 5 Å de DMMP adsorbé en surface du capteur par le biais de son oxyde natif, preuve que le capteur puisse être sensible à de très faibles concentrations. Chemical warfare agents, such as the organophosphorous compounds (sarin), are extremely dangerous molecules towards human at extremely low concentrations. Despite the 1997 Chemical Weapons Convention, their use persists making them an important threat for military and civilian population. In this work, we propose a novel plasmonic sensor based on surface-enhanced infrared absorption (SEIRA) made of III-V semiconductors. The combination of enhanced sensitivity using plasmonic effects, with increased selectivity by probing the molecules characteristic vibration modes in the infrared, associated with the CMOS-compatibility and mature industry of semiconductors, opens new perspectives for the sensing of dangerous molecules. Besides, this innovative solution implements a ϵ-near-zero (ENZ) medium, an emerging class of materials known for their ability to improve light-matter interactions as well as the control over the optical response of a plasmonic structure. Taking advantage of the well-known metal-insulator-metal structure, we designed a metal-ENZ-metal device that will serve as vehicle for the study of ENZ phenomena and the sensing of organophosphorous compounds in gas phase. These devices were tested for the detection of a simulant of the sarin molecule: dimethyl methylphosphonate (DMMP). The designed and fabricated sensors have a 5 min response time and their selectivity was positively experienced with benzene and methane. We demonstrated the sensing of DMMP at concentration as low as 100 ppm. We identified that the sensor was sensitive to a 5 Å-thick monolayer of DMMP that has adsorbed at the surface of our sensor through its native oxide, a proof that the sensor shall be sensitive to much lower concentrations. Electronic Thesis or Dissertation Text en PDF 28688826 Université de Strasbourg Strasbourg 2024-12-31 https://theses.hal.science/tel-04540200 application/pdf 11117597 https://publication-theses.unistra.fr/public/theses_doctorat/2023/FEHLEN_Pierre_2023_ED182.pdf http://www.theses.fr/2023STRAE028/abes https://theses.hal.science/tel-04540200 https://theses.hal.science/tel-04540200 https://theses.hal.science/tel-04540200 Fehlen Pierre 1996-12-19 FR 276948637 1207001333W 22023473 4200002 https://theses.fr/2023STRAE028 2023STRAE028 https://doi.org/10.70675/20a27766zb883z4620z9942z2d91a9172837 2023-10-23 Chimie physique Strasbourg 131056549 Doctorat Docteur es non oui Spitzer Denis MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_1 169168441 Taliercio Thierry MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_2 10103282X Masenelli Bruno MADS_PRESIDENT_DU_JURY 140781382 Bouhelier Alexandre MADS_MEMBRE_DU_JURY_1 148958532 Thomas Guillaume MADS_MEMBRE_DU_JURY_2 190532467 Gonzalez-Posada Fernando MADS_MEMBRE_DU_JURY_3 276950089 Verrier Isabelle MADS_RAPPORTEUR_1 034237321 Moreau Antoine MADS_RAPPORTEUR_2 276949315 École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....) MADS_ECOLE_DOCTORALE_1 182 156500019 Nanomatériaux pour les systèmes sous sollicitations extrêmes (Strasbourg) MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_1 176968598 24533 ddc:530 ddc:540 Spitzer Denis Taliercio Thierry Masenelli Bruno Bouhelier Alexandre Thomas Guillaume Gonzalez-Posada Fernando Verrier Isabelle Moreau Antoine École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....) Nanomatériaux pour les systèmes sous sollicitations extrêmes (Strasbourg) PDF 28688826