Thèse soutenue

Assemblage de nano-aimants moléculaires entre électrodes séparées d’un nanogap. Réalisation de dispositifs bioélectroniques pour la mesure électrique du courant ionique à travers les canaux de protéines membranaires
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Auteur / Autrice : Yaser Vaheb
Direction : Jean-Michel Lourtioz
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 13/11/2014
Etablissement(s) : Paris 11
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016)
Jury : Président / Présidente : Talal Mallah
Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Lourtioz, Talal Mallah, Valérie Stambouli-Sené, Christophe Vieu, Bernard Bartenlian, Anne-Marie Haghiri-Gosnet
Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Stambouli-Sené, Christophe Vieu

Mots clés

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Résumé

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Cette thèse se compose de deux parties qui peuvent être considérées comme deux aspects différents de l'électronique moléculaire avec pour point commun les moyens de nanofabrication mis en jeu pour réaliser des dispositifs de mesures électriques à bas courant. La première partie de la thèse concerne l'assemblage de nano-aimants entre électrodes à nanogap. Le besoin croissant de processeurs toujours plus performants et celui d’une densité de stockage toujours plus grande ont poussé la technologie CMOS couramment utilisée dans l'industrie à ses limites physiques vis-à-vis de sa miniaturisation. L'électronique moléculaire et la spintronique moléculaire se révèlent être des alternatives prometteuses à cette technologie pour les futurs dispositifs nanoélectroniques. Mes principaux travaux dans ce domaine ont porté sur l'assemblage entre des électrodes à nanogap, de nano-aimants moléculaires à base de bleu de Prusse ou de son analogue Cs–Co–Cr. Le but était ainsi de faire les premiers pas vers la construction de dispositifs en spintronique moléculaire. Des nanogaps de ~ 7 à 50 nm ont été fabriqués en palladium ou en or sur un substrat Si/SiO₂ par lithographie électronique et lift-off. Les nano-aimants ont été placés dans le gap par diélectrophorèse à courant alternatif (AC DEP). À température ambiante, un courant négligeable a été mesuré sur les jonctions utilisant des nanoparticules de Cs–Co–Cr alors qu’un courant de ~ 30 pA a été mesuré sur celles avec les nanoparticules en bleu de Prusse pour une tension de ~ 1 V. J’ai montré qu‘en fait, l’eau piégée dans les nanogaps altérait sérieusement les mesures de courants et nécessitait un recuit préalable. Pour optimiser la localisation des nanoparticules entre les électrodes, j’ai proposé un programme de simulation de la DEP ne tenant pas compte du mouvement brownien et de la dynamique des fluides. La deuxième partie de la thèse concerne la fabrication de dispositifs de type nanopatch-clamp planaire pour l'enregistrement de courants ioniques à travers les canaux ioniques des protéines membranaires. Les canaux de ces protéines incorporées dans les membranes cellulaires sont des composantes essentielles de toutes les cellules vivantes et sont à la base de divers processus physiologiques tels que ceux dans la communication nerveuse, la contraction musculaire, la sensation tactile, etc. Les mesures de transport d'ions sont maintenant utilisées dans diverses applications telles que le criblage de médicaments dans l'industrie pharmaceutique et les biocapteurs médicaux. La méthode classique pour effectuer des mesures de transport d'ions consiste à utiliser un système patch-clamp. Cependant, cette méthode nécessite d’importantes compétences, des équipements lourds et coûteux et présente une faible efficacité de mesure. Pour pallier ces inconvénients, une solution est de développer des patch-clamps planaires, qui sont modulables, automatisés et faciles d’utilisation. La fabrication du dispositif a consisté en la réalisation d’une piste conductrice constituée d’un empilement de couches Au/Ag sur un substrat de silicium oxydé. Cette piste a été passivée et isolée électriquement par une couche de Si₃N₄/SiO₂ dans laquelle j’ai gravé des micro-trous et j’ai ensuite converti la couche d’Ag en AgCl pour les mesures électriques. Afin de valider le fonctionnement du dispositif sans la membrane, j’ai procédé à des mesures de courant en fonction du temps pour diverses tensions, ce qui m’a ensuite permis de proposer un schéma équivalent électrique.