De la réalisation de transistors à effet de champ à nanotubes de carbone par fonctionnalisation chimique spécifique à la mesure optoélectronique d’un bio-hybride nanotubes/protéines photosynthétiques

From efficient carbon nanotubes field-effect transistors making by specific functionnalisation to optoelectronic measurement of a bio-hybrid nanotubes/photosynthetic proteins

• Auteur / Autrice : Grégory Schmidt
• Direction : Jean-Philippe Bourgoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines

Transistors

Nanotubes

Résumé

Ce travail de thèse concerne la réalisation et l’étude d’un bio-hybride nanotubes/protéines photosynthétiques pour des applications en optoélectronique. Nous avons testé la viabilité de l’intégration de ces protéines dans un dispositif électronique en utilisant les nanotubes de carbone comme nano-sonde. Au cours de nos travaux, le problème de la fabrication de transistors à effet de champ à base de nanotubes de carbone (CNTFETs) performants s’est posé. Pour le résoudre, nous avons opté pour la fonctionnalisation des nanotubes par un diazonium qui est sélective envers les nanotubes métalliques mais pas suffisamment. Il était donc nécessaire d’augmenter cette sélectivité et pour cela, nous avons étudié le mécanisme du couplage nanotube-diazonium qui était méconnu. Par une étude cinétique, nous avons montré que la réaction passe par un mécanisme radicalaire en chaîne. Cette thèse détermine enfin l’origine de la sélectivité et donne les voies possibles d’amélioration. Nous avons ainsi pu augmenter la sélectivité en ajoutant une base de Lewis. Grâce à cette méthode, nous avons pu réaliser de nombreux CNTFETs performants. Concernant la photosensibilisation des nanotubes par une protéine photosynthétique, nous avons vu que la création photo-induite d’un moment dipolaire dans la protéine modifie les caractéristiques électriques du CNTFET. Les performances de la protéine permettent d’accroître la sensibilité optique du dispositif. Cette thèse montre surtout que, malgré l’apparente fragilité de la protéine, il est possible de l’intégrer à un dispositif électronique. Enfin, cette thèse ouvre la voie à l'intégration de ces protéines dans des dispositifs électroniques ou photovoltaïques.

The manuscript presents my work concerning the making and the study of a nanotube/photosynthetic protein bio-hybrids for optoelectronic applications. Indeed, photosynthetic proteins are super dyes with optoelectronic properties optimized by nature. So, we decided to check the possibility of protein integration in electronic device using carbon nanotubes as a nano-probe. During our work, the problem of making efficient carbon nanotubes field-effect transistors (CNTFETs) appeared. To solve this problem, we chose to enhance transistor performance using functionalisation by diazonium that is selective for metallic but not enough for sorting proposes. In the aim of increasing the selectivity, we decided to study the coupling mechanism which was unknown. Using kinetic studies, we showed that the reaction proceeds through a chain mechanism. In particular, the origin of the reaction selectivity was precisely determined and our work paves the way for selectivity improvement. Then, we improved the reaction selectivity using a Lewis base. Indeed, this addition increases dramatically the reaction selectivity for metallic nanotubes. Using this method, we realized efficient CNTFETs in high-volume. Promising results in the photosensitization of nanotubes by photosynthetic proteins were obtained. Indeed, we observed that the photo-induced dipolar moment created in proteins changed the electrical characteristics of CNTFET. The protein performance allowed increasing the optical sensitivity of the device. In particular, the protein activity proved robust in spite of protein fragility. Finally, this thesis opens the way to the protein integration in electronic or photovoltaic devices