Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'oxyde de manganèse (MnO₂) est un candidat de choix comme composant de base des supercondensateurs électrochimique pour son faible coût, son caractère non polluant et sa capacité spécifique théorique élevée (~1380 F/g). Cependant, les capacités spécifiques expérimentales sont bien inférieures et se limitent aux systèmes à faibles masses actives due à la faible conductivité et la forte densité du matériau. La méthode conventionnelle de préparation d'électrode consiste en un mélange de MnO₂, de carbone activé (conductivité) et de polymère liant isolant (PTFE). Le projet s'est basé sur une nouvelle stratégie qui consiste à remplacer le noir d'acétylène (AB) par des nanotubes (CNT) et des fibres de carbone (VGCF) afin d'augmenter la conductivité et diminuer la densité du matériau. Aussi, l'utilisation d'un polymère liant échangeur d'ions (Nafion) doit permettre de vérifier si l'accessibilité des ions vers la matière active interne est favorisée. L'analyse des poudres composites (MnO₂ amorphe et les divers composants) effectuée pour la première fois par isotherme d'adsorption a montrée clairement la diminution de surface spécifique ainsi que le blocage de pores (micropores et mésopores), particulièrement pour les échantillons avec le Nafion. L'influence de ces paramètres sur la cinétique des réactions électrochimiques a été confirmée. De plus, la caractérisation des électrodes composites par voltampérométrie cyclique dans l'électrolyte 0,65M K₂SO4 a permis de confirmer que les mélanges avec CNT et ceux avec AB combinés au PTFE sont les plus performants avec des capacités spécifiques de ~165 F/g (2 mV/s), et ce, même pour des masses élevées de 45 mg/cm2. Par leur distribution poreuse et leur excellente conductivité électronique, le CNT semble être le meilleur additif conducteur. L'utilisation du Nafion ne permet cependant pas d'obtenir un mélange malléable ni une capacité spécifique supérieure. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence un profil d'optimisation clair de tous les mélanges testés. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Électrochimie, supercondensateurs électrochimiques, stockage énergie, dioxyde de manganèse, électrode composite.

Les enregistrements életrophysiologiques ont apporté des informations considérables sur le fonctionnement et le dysfonctionnement du cerveau. Améliorer les dispositifs d'enregistrement permettrait d'approfondir les connaissances au niveau de la science fondamentale et serait bénéfique pour les patients. Les principales limitations des électrodes en contact direct avec le cerveau comprennent leur invasivité, leur biocompatibilité et leur SNR. Il serait aussi souhaitable de mesurer simultanément les signaux électriques et moléculaires. Le couplage entre l'activité électrique et métabolic est encore mal comprise. Le but de ce travail était de fournir des solutions technologiques à ces défis dans le contexte de l’épilepsie.Nous avons développé des grilles flexibles de 4 µm d’épaisseur résolvant les problèmes d’invasivité, de rigidité et de biocompatibilité. Afin d’améliorer le SNR, des sites d'enregistrement en polymère hautement conducteur PEDOT: PSS ont été faits. La qualité des signaux enregistrés in vivo était meilleure que celui obtenu avec de l’or. Puis nous avons validé des sites d'enregistrement en transistors électrochimiques organiques, permettant l'amplification locale des signaux. Les grilles ont été testées in vivo et le SNR a été multiplié par 10. Enfin, nous avons fonctionnalisé les sites avec une enzyme pour mesurer le glucose. Par rapport aux dispositifs classiques, le capteur de glucose a montré une stabilité et une sensibilité inégalée in vitro.En conclusion, l'électronique organique semble être une solution technologique prometteuse pour les limitations des systèmes actuels visant à enregistrer l'activité électrique et moléculaire du cerveau. / Electrophysiological recordings brought considerable information about brain function and dysfunction. Improving recording devices would further our understanding at the basic science level and would be beneficial to patients. Major limitations of current electrodes that are in direct contact with brain tissue include their invasiveness, their poor biocompatibility, their rigidity and a suboptimal signal-to-noise ratio. In addition, it would be desirable to measure simultaneously molecular signals. The coupling between the electrical activity of neurons and metabolism is still poorly understood in vivo. The goal of this work was to provide technological solutions to such challenges in the context of epilepsy. We generate 4 µm thick, totally flexible but resilient grids, thus solving the challenge of invasiveness, rigidity and biocompatibility. In order to improve the signal-to-noise ratio, recording sites were made of the highly conductive polymer PEDOT:PSS. The quality of the in vivo signals recorded was better than that obtained with conventional gold contacts. Going a step further, we made the recording site as an organic electrochemical transistor, which enables local amplification of signals. The grid was tested in vivo and the SNR was increased by a factor of 10. Finally, we functionalized PEDOT:PSS sites with glucose oxidase to measure glucose. Compared to conventional devices, the glucose sensor showed unsurpassed stability and sensitivity in vitro. In conclusion, organic electronics appears to be a promising technological solution to the limitations of current systems designed to record the electrical and molecular activity of the brain.

Le développement d'électrodes à air bifonctionnelles pour les piles métal-air électriquement rechargeables (ex. Zn-air) nécessite des matériaux stables et performants pour les réactions de réduction de l'oxygène (RRO, mode décharge) et de dégagement de l'oxygène (RDO, mode recharge). Afin de résoudre le problème de l'oxydation du support conducteur lors de la recharge, généralement un noir de carbone, utilisé dans la fabrication de ces électrodes, l'oxyde TiO₂ dopé au niobium (Nb₀, ₁Ti₀, ₉O₂) a été étudié comme support à l'oxyde spinelle Co₃O₄, catalyseur pour la RRO et la RDO. Les poudres Nb₀, ₁Ti₀, ₉O₂, Co₃O₄ et Co₃O₄ dispersé chimiquement sur Nb₀, ₁Ti₀, ₉O₂ ont été préparées par une méthode sol-gel. Les poudres obtenues ont été caractérisées par des méthodes physico-chimiques telles que la diffraction des rayons X (ORX), la spectroscopie Raman, la spectroscopie du photoélectron X (XPS), l'isotherme d'adsorption de N₂ et la thermogravimétrie. Les caractérisations électrochimiques ont été réalisées dans une solution de KOH 1 M à 22°C à partir de films composites contenant 85% de poudre d'oxyde et 15% de polyvinylidène de fluor hexafluoropropylène (PVDF-HFP, un liant), par voltampérométries cyclique et linéaire, courbes de polarisation et électrode disque-anneau tournante. La composition de la solution sol-gel précurseur au support Nb₀, ₁Ti₀, ₉O₂ a été variée suivant le rapport H₂O :Ti. Le rapport 50 :1 a montré un maximum de surface spécifique (5,7 m² g­­-¹) pour l'oxyde préparé à 850°C. La variation de la surface a surtout été associée à l'évaporation de l'eau lors de la formation du réseau poreux, Le rapport H₂O :Ti a aussi montré qu'il influençait la phase cristalline de Nb₀, ₁Ti₀, ₉O₂ en favorisant la phase anatase avec une faible présence d'eau (1 :1) et la phase rutile avec la présence d'une plus grande quantité d'eau (50 :1). La température de préparation de Nb₀, ₁Ti₀, ₉O₂(50 :1) a été variée entre 550°C et 850°C. La phase anatase a été obtenue à plus faible température (550°C) avec une surface spécifique de 40 m² g­­-¹ et l'apparition de la phase rutile a été observée pour les températures plus élevées accompagnée d'une diminution de la surface spécifique (5,7 m² g­­-¹ pour 850°C). La dispersion chimique (méthode sol-gel) de 10% m/m Co₃O₄ / Nb₀, ₁Ti₀, ₉O₂ a produit une évolution de la phase anatase vers la phase rutile et une ségrégation plus importante de niobium en comparaison de Nb₀, ₁Ti₀, ₉O₂ seul, probablement dues à une contribution du support à la décomposition des précurseurs de Co₃O₄ . Les courbes de polarisation pour la RDO des supports préparés à différentes températures avec une dispersion de 10% de Co₃O₄ ont montré une activité électrocatalytique intrinsèque, comparée à une densité de courant de 100 µA cm-², dans l'ordre suivant: 775>825,700>850>550°C. Deux pentes de Tafel ont été observées pour cette réaction dont la première varie entre 54 et 63 mV décade-¹, Cet ordre d'activité a été associé à la distribution de cobalt à la surface du support, telle que mesurée par XPS, L'augmentation du pourcentage de dispersion entre 10% et 50% m/m Co₃O₄ / Nb₀, ₁Ti₀, ₉O₂ a démontré que l'activité électrocatalytique intrinsèque pour la RDO à 700 mV vs Hg/HgO suivait l'ordre suivant: 20%>30%>50%>40%>10%>0%. Cet ordre a été associé à une diminution du rapport Co³⁺/Co²⁺ observé par XPS, laissant supposer une distribution cationique de type spinelle inverse (Co₃O₄) avec une quantité importante de Co²⁺ dans les sites octaédriques, qui se transforment en espèces Co³⁺, sites actifs pour la RDO, au contact de la solution alcaline. D'autre part, en regard de la RRO, un maximum de densité de courant intrinsèque a été observé pour 10% Co₃O₄ . Cependant, l'augmentation de Co₃O₄ sur Nb₀, ₁Ti₀, ₉O₂ a produit une diminution de peroxyde formé dû à un meilleur recouvrement du support. Par exemple, à un potentiel de -300 mV vs Hg/HgO pour 40% Co₃O₄, le nombre d'électrons échangés par molécule d'oxygène est de 3,8, ce qui correspond à un taux de 10% de peroxyde. Globalement, en terme de bifonctionnalité, l'oxyde 30% Co₃O₄ / Nb₀, ₁Ti₀, ₉O₂ offre le meilleur compromis entre les performances intrinsèques et extrinsèques pour la RDO et la RRO. Pour cette composition, la dispersion chimique a été comparée à la dispersion mécanique. La dispersion chimique présente de plus faibles potentiels de polarisation pour la RDO, de même que pour la RRO, en plus de diminuer la quantité de peroxyde formé. Enfin, la fabrication d'électrodes à air bifonctionnelles a été réalisée avec l'oxyde 30% Co₃O₄ / Nb₀, ₁Ti₀, ₉O₂ (775°C) suite à un stage au Conservatoire National des Arts et Métiers de Paris. Les courbes de polarisation dans une atmosphère d'oxygène ont donné les résultats suivants: à une densité de courant géométrique de -/+ 100 mA cm-², les potentiels d'électrode sont de -300 mV et 680 mV vs Hg/HgO, respectivement. Ces résultats permettent de considérer l'oxyde Nb₀, ₁Ti₀, ₉O₂ préparé à 775°C comme un matériau support alternatif aux noirs de carbone utilisés dans les accumulateurs métal-air. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Électrochimie, Électrocatalyseur, Pile métal-air, Électrode bifonctionnelle, Oxyde métallique.

Parmi les différents systèmes de stockage d’énergie électrique étudiés depuis plus de 2 siècles, le stockage électrochimique de type batterie Li-Ion est vraisemblablement le plus pertinent et le plus efficace. Des verrous demeurent cependant pour avoir des batteries Li-Ion répondants aux besoins actuels, et une des limitations provient des matériaux d’électrodes. Le silicium est un candidat de choix pour répondre aux problématiques batteries posées, cependant sa tenue au cyclage est courte et les méthodes de synthèse sont souvent très contraignantes. Associant deux laboratoires de recherche acteurs majeurs dans le domaines des nanosciences (le LRN à l’URCA) et des matériaux et batteries (le LRCS à l’UPJV) le projet pluridisciplinaire NanoSiBL d’une durée de 36 mois se fixe pour objectif d’apporter des solutions aux deux points précédents par : 1, la réalisation d’électrodes négatives en Silicium par une voie de synthèse bas coût originale et innovante développée au LRN (l’électrodépôt en milieu liquide ionique), 2 un accroissement de la durée de vie de l’électrode grâce à deux types de structuration (soit une électrode constituée de nanofils/nanotubes de Si monolithique soit une électrode nanostructurée composite de Si/TiO2). L’expertise dans le domaine des batteries du LRCS devrait permettre sur ce deuxième point de déterminer la géométrie et configuration idéale de l’électrode en termes de performance. Basé des méthodes d’élaboration par électrochimie bas coût et originale, NanoSiBL a pour objectif, grâce au partage de compétences et de technologie entre physiciens et chimistes impliqués, d’initier une nouvelle thématique inter-établissement axée sur la valorisation de nanostructures de silicium et silicium composite nanostructuré. L’intérêt scientifique de ce projet réside dans la mise en œuvre et le contrôle des propriétés intrinsèques de ces nanostructures à base de silicium pour la réalisation d’électrodes négatives performantes de batterie Li-Ion. Dans la littérature, les électrodes négatives à base silicium ou silicium composite (type Si/TiO2) ont déjà démontré une amélioration par rapport aux électrodes de silicium massif. Néanmoins, le passage à des dispositifs opérationnels reste peu fréquent car les voies permettant de contenir l’expansion en volume du silicium restent à éprouver et car les méthodes utilisées pour élaborer ces nanofils de silicium (Chemical Vapor Deposition, évaporation réactive…) restent très contraignantes, tant au niveau des conditions de croissance (nécessité d’utiliser des précurseurs métalliques et des gaz très toxiques) que des coûts de fabrication (travail sous ultra-vide, nombreuses étapes pour la réalisation des dispositifs avec la nécessité de réaliser des contacts post-croissance…). NanoSiBL propose donc une alternative en réelle rupture technologique avec les méthodes de synthèse actuelles. Les techniques de croissance (électrodépôt en liquide ionique) et de nanostructuration (au sein de membranes polycarbonates ou nanotubes de TiO2) utilisées dans le projet permettront la mise au point d’électrodes à bas coût performantes pour l’application batterie Li-Ion visée. En outre la variété conséquente de géométries possibles proposées par les membranes nanoporeuses qui seront utilisées dans le projet (polycarbonate ou nanotubes de TiO2) permettra d’établir un comparatif essentiel de l’impact de la nanostructuration ou encore de la composition des électrodes pour contenir l’expansion en volume du silicium lors du cyclage et ainsi améliorer la durée de vie de telles électrodes (batterie). / Among the various electric energy storage systems studied for more than two centuries, the electrochemical storage battery type Li-Ion is probably the most relevant and most effective. however locks remain for Li-Ion batteries respondents to current needs, and limitations comes from the electrode materials. Silicon is a prime candidate to meet the challenges posed batteries, however its resistance to cycling is short and synthesis methods are often very restrictive. Combining two research laboratories major players in the fields of nanoscience (the LRN to URCA) and materials and batteries (the LRCS to UPJV) the multidisciplinary project NanoSiBL a period of 36 months set the objective of provide solutions to the above two points: 1, the realization of negative electrodes in silicon by a synthetic route down original and innovative cost developed LRN (electrodeposition in ionic liquid medium), 2 increased lifetime of the electrode through two types of structuring (or one electrode made of nanowires / nanotubes Si monolithic or a composite nanostructured electrode Si / TiO2). The expertise in the field of LRCS of batteries should allow this second point to determine the geometry and ideal configuration of the electrode in terms of performance. Based methods developed by electrochemistry low cost and original NanoSiBL aims, through the sharing of expertise and technology between physicists and chemists involved, to initiate an inter-establishment new theme focused on valuation and silicon nanostructures composite nanostructured silicon. The scientific interest of this project lies in the implementation and control of the intrinsic properties of these nanostructures based on silicon for making efficient negative electrodes of Li-Ion battery. In the literature, the negative electrodes based on silicon or silicon composite (type Si / TiO2) have already demonstrated improvement compared to bulk silicon electrodes. However, the transition to operational devices remains uncommon for ways to contain the expansion in volume of the silicon are experiencing and because the methods used to develop these silicon nanowires (chemical vapor deposition, reactive evaporation ...) remain very restrictive both in terms of growth conditions (the need to use metal precursors and highly toxic gases) that manufacturing costs (labor UHV, many steps for the realization of devices with the need for contacts post- growth…). NanoSiBL proposes an alternative in real technological break with the current methods of synthesis. growth techniques (electrodeposition in ionic liquid) and nanostructuring (in polycarbonates or TiO2 nanotube membranes) used in the project will enable the development of electrodes at low cost efficient for application referred Li-Ion battery. Furthermore the consequent variety of possible geometries offered by the nanoporous membranes to be used in the project (polycarbonate or TiO2 nanotubes) will establish a critical comparison of the impact of the nanostructure or composition of electrodes to contain expansion by volume of the silicon during the cycling and improve the life of such electrodes (battery).

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le contexte des efforts de recherches menés pour proposer des matériaux susceptibles de lever les verrous technologiques au développement des piles à combustible à membrane. L'un de ces enjeux est l'augmentation de la température de fonctionnement (150 - 250 °C) afin d'améliorer les cinétiques réactionnelles permettant une diminution de la quantité de catalyseur ainsi qu'une simplification de la gestion de l'eau, une réduction du système de refroidissement et une meilleure résistance à l'empoisonnement au monoxyde de carbone du platine. La motivation de cette étude a été de substituer au carbone un matériau support de catalyseur avec une plus grande résistance électrochimique.Notre choix s'est porté sur le carbure de tungstène qui, en plus d'une conductivité électronique élevée, présente une activité catalytique pour l'oxydation de l'hydrogène et la réduction de l'oxygène en milieu acide. La mise au point d'une méthode de synthèse innovante par voie hydrothermale a permis l'élaboration de microsphères de carbure de tungstène (MCT) de surface spécifique élevée (68 m2.g-1 avec 4 % de carbone résiduel) et d'architecture inusuelle. Des nanoparticules de platine de taille contrôlée ont été préparées par méthode polyol afin d'être déposées en surface des MCT. Après caractérisations électrochimiques ex-situ couplées à des analyses de surface (XPS) de ces catalyseurs Pt/WC, la mise en forme d'électrodes par enduction et transfert sur la membrane a permis la réalisation d'assemblages membrane - électrode et leurs caractérisations en pile à combustible. Des membranes polybenzimidazole dopé acide phosphorique (PBI-H3PO4) ont été utilisées pour remplacer les membranes Nafion afin d'augmenter la température de fonctionnement. / The objective of this work was to develop alternative suitable materials to increase operating temperature of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell. The increase of the operating temperature (150 - 250 °C) is attractive for cost reduction and reliability in terms of reaction kinetics, catalyst tolerance, heat rejection and water management. Our work was focused on tungsten carbide which has an high electrical conductivity and exhibits a significant catalytic activity for hydrogen oxidation and oxygen reduction in acidic environment. We have reported a novel approach to produce tungsten carbide microspheres (TCM) with an high surface area (68 m2.g-1 including only 4 % of residual carbon) and an unusual architecture. Platinum nanoparticles were prepared by polyol method and were then deposited on TCM. Physical, chemical as well as electrochemical characterisations of WC supported platinum nanoparticles Pt/WC are described and discussed in comparison with a platinum electrocatalyst on a commercial carbon support (Vulcan XC-72R). Membrane Electrode Assembly was then prepared by coating - decal process, and characterised by single cell test and compared to conventional Pt/C assembly. Phosphoric acid doped polybenzimidazole PBI(H3PO4) was used as electrolyte to replace Nafion membrane in order to carry out fuel cell testing at higher temperature.

Cette thèse porte pour l'essentiel sur la synthèse de copolymères à blocs bien définis composés au moins d'un bloc polymère semi-conducteur et d'un segment hydrosoluble pour être utilisés comme agents dispersants de nanotubes de carbone (NTCs) dans des milieux aqueux. Des copolymères de différentes masses molaires ont été synthétisés en suivant des procédés de polymérisation sans métaux et l’influence de la fraction volumique de la partie hydrosoluble a été étudiée au regard de leur solubilité en milieux aqueux. La capacité de ces copolymères à s'organiser ou s'auto-assembler tant en solution qu'en film a été examinée. Enfin, des dispersions de NTCs avec ces copolymères ainsi que leurs films obtenus par différents types de dépôts ont été réalisés et caractérisés pour déterminer notamment leurs caractéristiques électro-optiques. / Our work focused on the synthesis of well-defined copolymers constituted with at least a conductive polymer segment along with hydrophilic moieties in order to disperse CNTs in aqueous media. Using metal free polymerizations, copolymers with different molecular weights were synthesized in order to study the influence of the hydrophilic part on these materials. Besides the self-assembly behavior of these copolymers, both in bulk and in solution, were addressed. This type of copolymers were successfully used to disperse both single and multi wall carbon nanotubes. Electrical and optical characteristics of the dispersions together with their films will also be discussed.

Les principales évolutions requises pour répondre aux besoins de la microélectronique visent à intégrer une micro-source d’énergie susceptible de fonctionner à plus bas potentiel que les systèmes actuels. Ainsi, en vue de répondre à cette demande, ce travail de recherche s’est focalisé sur l’étude, principalement par spectroscopie photoélectronique à rayonnement X (XPS), de deux matériaux d’électrode positive fonctionnant à 3 V vs Li+/Li : le spinelle LiMn2O4 et le Nasicon Fe2(MoO4)3. Le bismuth, matériau potentiel d’électrode négative susceptible de remplacer le lithium métallique et de subir le procédé de soudure classiquement utilisé en microélectronique (le solder reflow), est également étudié dans le cadre de cette thèse. Avant de caractériser ces matériaux en systèmes tout-solide, la première étape consiste à en étudier les comportements électrochimiques en électrolytes liquides. A cet effet, des couches minces d’une épaisseur d’environ 500 nm sont préparées par pulvérisation cathodique après une étape d’optimisation des paramètres de dépôt (puissance, pression partielle et totale dans l’enceinte de dépôt, température de recuit, …), puis caractérisées sur les plans structural (DRX), morphologique (SEM) et chimique (XPS, RBS, ICP). L’analyse des échantillons par XPS en fin de décharge et de charge a permis de mieux comprendre et d’expliquer les réactions électrochimiques se produisant au sein des matériaux et aux interfaces électrode/électrolyte dans les batteries au lithium. Une étude comparative avec un cyclage face au sodium a également été menée dans le cas du molybdate de fer et du bismuth, ce qui a permis d’identifier des comportements spécifiques lors de l’insertion/désinsertion des deux alcalins. L’homogénéité de la lithiation/sodation des couches minces a également été étudiée à partir de différentes analyses XPS menées après un procédé de décapage permettant de s’affranchir de la couche de passivation formée à l’interface électrode/électrolyte.Cette étude contribue à une meilleure connaissance des matériaux d’électrodes en cyclage pour micro-batteries au lithium et présente des perspectives très intéressantes d’intégration dans des dispositifs « tout solide ». / The main evolutions required for microelectronic applications aim to integrate an energy microsource operating at lower potential than current systems. Thus, in order to meet this demand, this research work has been focused on the study, mainly by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), of two positive electrode materials operating at 3 V vs Li+/Li: the spinel-type material LiMn2O4 and the Nasicon-type one Fe2(MoO4)3. The bismuth, a potential negative electrode material likely to replace the metallic lithium and to undergo the soldering process conventionally used in microelectronics (the solder reflow), has also been studied in this work. Before studying these materials in all-solid-state systems, the first step consists in investigating their electrochemical behaviors in liquid electrolytes. For this purpose, 500 nm-thick thin films are prepared by magnetron sputtering after a step of deposition parameters optimization (power, partial and total pressures in the sputtering chamber, annealing temperature, etc.). Physicochemical proprieties of the deposited thin films are then investigated by XRD, SEM, XPS, RBS and ICP analyses. The analyses of the electrodes by XPS at the end of discharge and charge has allowed better understanding of the electrochemical reactions occurring within the electrode materials and at the electrode/electrolyte interfaces in lithium cells. A comparative study with cycling against sodium has also been carried out in the case of iron molybdate and bismuth materials. This has allowed identifying specific behaviors of the thin films during the insertion/extraction of the two alkalis. The homogeneity of the thin films lithiation/sodiation has also been studied from various XPS analyses realized after etching process which allows eliminating the passivation layer formed at the electrode/electrolyte interface.This study contributes to a better knowledge of three potential electrode materials candidates for lithium micro-batteries and presents very interesting perspectives of materials integration in all solid state systems.

Nous avons cherché à fournir une estimation précise de la conductivité électrique des tissus cérébraux humains en clinique, en utilisant une stimulation pulsée locale de faible intensité. Méthodes : À l'aide de l'approximation quasi-statique des équations de Maxwell, nous avons établi un modèle analytique du champ électrique généré par les électrodes intracérébrales stéréotaxiques-EEG (SEEG). Nous avons couplé ce modèle de champ électrique avec un modèle de l'interface électrode-électrolyte pour fournir une expression analytique explicite de la conductivité du tissu cérébral basée sur la réponse enregistrée du tissu cérébral à la stimulation. Résultats: Nous avons validé notre modèle biophysique en utilisant i) des solutions salines calibrées en conductivité électrique,ii) des tissus cérébraux de rat, et iii) des données électrophysiologiques enregistrées en clinique chez sept patients épileptiques au cours de la SEEG. Nous avons trouvé une possible corrélation entre la conductivité et le caractère épileptique du tissu. Conclusion: Cette nouvelle méthode basée sur un modèle offre une estimation rapide et fiable de la conductivité électrique des tissus cérébraux en tenant compte des contributions de l'interface électrode-électrolyte. Signification: Cette méthode surpasse les mesures standard de bioimpédance. L'application pour le diagnostic est envisagée puisque les valeurs de conductivité diffèrent fortement lorsqu'elles sont estimées dans le tissu cérébral sain versus hyperexcitable. / We aimed at providing an accurate estimation of human brain tissue electrical conductivity in clinico, using local, low-intensity pulsed stimulation. Methods: Using the quasi-static approximation of Maxwell equations, we derived an analytical model of the electric field generated by intracerebral stereotactic-EEG (SEEG) electrodes. We coupled this electric field model with a model of the electrode-electrolyte interface to provide an explicit, analytical expression of brain tissue conductivity based on the recorded brain tissue response to pulse stimulation. Results: We validated our biophysical model using: i) saline solutions calibrated in electrical conductivity, ii) rat brain tissue, and iii) electrophysiological data recorded in clinico from two epileptic patients during SEEG. Conclusion: This new model-based method offers a fast and reliable estimation of brain tissue electrical conductivity by accounting for contributions from the electrode-electrolyte interface. Significance: This method outperforms standard bioimpedance measurements since it provides absolute (as opposed to relative) changes in brain tissue conductivity. Application for diagnosis is envisioned since conductivity values strongly differ when estimated in the healthy vs. hyperexcitable brain tissue.

Le capteur étudié est à base de NASICON et fonctionne en différentiel entre une électrode sensible à O2 et une électrode sensible à CO2 et à O2. La réponse ne dépend plus de la pression partielle d'oxygène.<br />Chaque élément du capteur (électrode de référence, électrolyte solide et électrode de travail) a été étudié séparément, par les techniques de caractérisations physiques et électriques, pour sélectionner les meilleurs matériaux.<br />La sérigraphie a été retenue parmi plusieurs techniques de dépôt d'électrodes testées pour noter l'influence sur la réponse des capteurs.<br />Au niveau de l'électrode de travail (Na2CO3/BaCO3), les compositions présentant un taux de carbonate de baryum de 25% ou de 0% ont abouti à des résultats satisfaisants au niveau de la sensibilité.<br />L'influence de la composition de l'électrode de référence a été étudiée pour différentes valeurs du rapport Na2Ti3O7/Na2Ti6O13. Seule la composition 55%-45% en masse a donné lieu à un capteur à comportement thermodynamique, avec des pentes expérimentales et des potentiels standards proches des valeurs théoriques jusqu'à des pressions partielles de l'ordre de 100 Pa.<br />L'étude des interférents a montré que l'oxygène présentait une influence sur la réponse du capteur seulement pour les faibles températures. Une interférence de la vapeur d'eau a été observée sur la valeur du potentiel standard quelle que soit la température, sans modification de la sensibilité. Le monoxyde d'azote ne modifie en rien la réponse du capteur.<br />Un modèle de temps de réponse limitée par la diffusion dans le matériau d'électrode a été proposé.<br />Le passage en technologie planaire a abouti à des capteurs thermodynamiques uniquement au-dessus de 10-3 bar.