Soutenance de thèse de Quentin EYNAUD

L’eau est la ressource naturelle la plus cruciale car elle est indispensable à la vie. Elle est donc source d’enjeux politiques, économiques, sociaux et environnementaux. Les espaces naturels, l’agriculture, les réseaux sanitaires urbains, les centrales de production d’énergie, son omniprésence fait qu’elle est facilement sujette à toute source de pollution. La garantie de sa potabilité est donc un enjeu majeur de santé publique. Afin de garantir une eau consommable et pouvoir réagir au plus vite en cas de pollution de cette eau, un laboratoire sur disque (LOD) multi-mesures multi-réponses est proposé comme système d’alerte précoce. Il repose sur des microalgues, base de la chaîne alimentaire dont l’activité de bioluminescence est perturbée par différents polluants majoritaires (métaux lourds, pesticides, etc.). La mesure du signal lumineux correspondant permet de déterminer la présence ou l’absence de ces polluants. Afin de mesurer ce signal, des photodétecteurs à base de semi-conducteurs organiques sont utilisés grâces à leurs propriétés uniques. Leur pouvoir absorbant plus élevé que celui de leurs homologues inorganiques permet de réaliser des dispositifs plus fins, leur fabrication est moins énergivore, ils peuvent être biocompatibles et leurs propriétés mécaniques permettent des dépôts sur des substrats flexibles ou étirables. De plus ils ont la possibilité d’offrir une réponse sélective en longueur d’onde à travers le choix des matériaux ou la structure du dispositif sans avoir besoin de recourir à l’ajout d’éléments comme des filtres, ce qui est un atout à porter à leur crédit. Le but de ces travaux de thèse est de développer des photodétecteurs organiques capables de détecter l’émission des algues tout en restant aveugles aux OLED du LOD, sources excitatrices des algues. Dans cette optique deux stratégies sont abordées : (i) l’utilisation d’OPD ayant une détection large bande, associée avec un filtre en amont et (ii) l’utilisation d’OPD offrant une détection en bande étroite. Ces travaux sont donc découpés en cinq parties. La première partie traite de l’état de l’art et du fonctionnement des OPD ainsi que du contexte qui entoure le sujet de la thèse. La deuxième partie concerne les bancs expérimentaux utilisés, l’adaptation de la géométrie des OPD pour le projet et la fabrication des dispositifs. La troisième partie aborde les OPD basés sur des systèmes ternaires à base de P3HT: PC70BM incorporant divers NFA et devant être utilisés avec un filtre optique. La quatrième partie s’attarde sur le passage d’un OPD large bande à un OPD sélectif à travers le phénomène de rétrécissement spectral de la collection des charges (CCN) appliqué au système PM6:ITIC-4F. L’impact de cette transition sur les caractéristiques J(V) sous obscurité et sous illumination ainsi que sur la réponse spectrale des photodétecteurs y est détaillé et la mise au point d’un OPD efficace détectant dans le NIR avec une largeur de bande ≤ 50 nm est démontrée. La cinquième et dernière partie conclue cette épopée par la fabrication d’OPD basés sur trois systèmes de matériaux différents offrant une détection sélective selon les trois fenêtres spectrales d’émission de la micro algue Chlamydomonas Reinhardtii et de ses produits de réaction enzymatique grâce au phénomène optoélectronique CCN. Cette thèse a fait partie intégrante du projet Beluga (ANR-18-CE04-0007) financé par l’Agence National de la Recherche.

Water is the most crucial natural resource because it is essential for life. It is therefore a source of political, economic, social and environmental issues. Natural areas, agriculture, urban sanitary networks, power plants, its omnipresence makes it easily subject to any source of pollution. The guarantee of its potability is therefore a major public health issue. In order to guarantee consumable water and to be able to react as quickly as possible in the event of pollution of this water, a multi-response multi-measure Lab-On-Disc (LOD) is proposed as an early warning system. It is based on microalgae, the base of the food chain whose bioluminescence activity is disrupted by various pollutants (heavy metals, pesticides, etc.). The measurement of the corresponding light signal makes it possible to determine the presence or absence of these pollutants. In order to measure this signal, photodetectors based on organic semiconductors are used thanks to their unique properties. Their higher absorbency than their inorganic counterparts makes it possible to make thinner devices, their manufacture is less energy-intensive, they can be biocompatible and their mechanical properties allow deposits on flexible or stretchable substrates. In addition, they have the ability to offer a selective wavelength response through the choice of materials or the structure of the device without the need to resort to the addition of elements such as filters, which is an asset to their credit. The aim of this thesis work is to develop organic photodetectors capable of detecting the emission of algae while remaining blind to the OLEDs of LOD, excitatory sources of algae. With this in mind, two strategies are discussed: (i) the use of OPDs with broadband detection, associated with an upstream filter and (ii) the use of OPDs offering narrowband detection. This work is therefore divided into five parts. The first part deals with the state of the art and the functioning of OPDs as well as the context surrounding the subject of the thesis. The second part concerns the experimental benches used, the adaptation of the OPD geometry for the project and the manufacture of the devices. The third part discusses OPDs based on ternary systems based on P3HT: PC70BM incorporating different NFA and to be used with an optical filter. The fourth part focuses on the transition from broadband to selective OPD through the phenomenon of charge collection narrowing (CCN) applied to the PM6:ITIC-4F system. The impact of this transition on the J(V) characteristics under darkness and illumination as well as on the spectral response of the photodetectors is detailed and the development of an efficient OPD detecting in the NIR with a bandwidth ≤ 50 nm is demonstrated. The fifth and final part concludes this epic with the manufacture of OPDs based on three different material systems offering selective detection according to the three spectral emission windows of the microalgae Chlamydomonas Reinhardtii and its enzymatic reaction products thanks to the CCN optoelectronic phenomenon. This thesis is an integral part of the Beluga project (ANR-18-CE04-0007) funded by the French National Research Agency.