Atomic layer deposition for biosensing applications

par Octavio Graniel tamayo

Thèse de doctorat en Chimie Séparative, Matériaux et Procédés

Sous la direction de Philippe Miele et de Sébastien Balme.

Soutenue le 08-10-2019

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-....) , en partenariat avec Institut Européen des membranes (Montpellier) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Atomic layer deposition pour des applications de biocaptage optique


  • Résumé

    Le dépôt de couche atomique (ALD) est devenu une technique essentielle de dépôt en phase vapeur de couches minces pour de nombreuses applications. La demande croissante de composants électroniques et de matériaux nanostructurés a fait de gls{ald} l'un des processus de fabrication clés du marché des nanotechnologies.Dans ce travail, nous présentons de nouveaux matériaux nanostructurés pouvant être utilisés comme transducteurs dans des dispositifs à biocapteurs. Ces matériaux ont été préparés en combinant gls{ald} avec des techniques "top-down" et "bottom-up" telles que la lithographie par nanosphère (gls{nsl}), le dépôt physique en phase vapeur (gls{pvd}), la gravure chimie assistée par des métaux (gls{mace}) et électrodéposition.En tant que premier candidat prometteur, des nanofils de silicium (gls{sinws}) recouverts de ZnO par gls{ald} ont été fabriqués. Ces structures 3D sont très attractives pour les applications de biocapteurs optiques en raison de leur activité intense de photoluminescence (gls{pl}) à température ambiante. Dans une première approche, ces nanostructures coe ur/coquille ont été entièrement caractérisées et testées en tant que capteurs possibles pour la détection du peroxyde d’hydrogène, qui est un produit de réaction courant de plusieurs oxydoréductases.De plus, des nanostructures creuses en ZnO semblables à des oursins recouvertes de Au ont été préparées avec une taille contrôlée en combinant NSL, gls{ald}, électrodéposition et évaporation par faisceau d'électrons (gls{ebeam}). L’influence de l’épaisseur du film Au sur les capacités de diffusion Raman (gls{sers}) améliorées en surface des substrats a été étudiée. Les structures optimisées ont été utilisées pour détecter des molécules de thiophénol avec une limite de détection (gls{lod}) de SI{e-8}{Molar}. De plus, l'adénine peut être détectée avec une concentration aussi basse que SI{e-6}{Molar}. L'excellente uniformité et la répétabilité lot par lot des substrats en font d'excellents candidats pour une détection et une biocapture SERS fiables.En outre, un groupe diversifié de nouveaux matériaux présentant des caractéristiques attrayantes qui peuvent être facilement appliqués à la détection, à la catalyse et à la plasmonique est présenté. Des nanoparticules bimétalliques de Pd/Au supportées sur gls{sinws} avec gls{ald} et un remplacement galvanique ont été fabriquées. De plus, des structures ZnO creuses de type urchin avec ZIF-8 par électrodéposition ont été fabriquées pour de possibles applications SERS.


  • Résumé

    Atomic layer deposition (gls{ald}) has emerged as an essential vapor deposition technique of thin films for countless applications. The rising demand for electronic components and nanostructured materials has established gls{ald} as one of the key fabrication processes in the nanotechnology market.In this work, novel nanostructured materials that can be used as transducers in biosensor devices are presented. These materials have been prepared by a combination of gls{ald} with top-down and bottom-up techniques such as nanosphere lithography (gls{nsl}), physical vapor deposition (gls{pvd}), metal-assisted chemical etching (gls{mace}), and electrodeposition.As a first promising candidate, silicon nanowires (gls{sinws}) covered with ZnO by gls{ald} were fabricated. These 3D structures are quite attractive for optical biosensing applications thanks to their intense photoluminescence (gls{pl}) activity at room temperature. As a first approach, these core/shell nanostructures were fully characterized and tested as possible sensors for the detection of hydrogen peroxide, which is a common reaction product of several oxidoreductases.In addition, Au-covered hollow urchin-like ZnO nanostructures were prepared with controlled size by combining NSL, gls{ald}, electrodeposition, and electron beam (gls{ebeam}) evaporation. The influence of the Au film thickness on the surface-enhanced Raman scattering (gls{sers}) capabilities of the substrates was investigated. The optimized structures were used to detect thiophenol molecules with a limit of detection (gls{lod}) of SI{e-8}{Molar}. Additionally, adenine can be detected with a concentration as low as SI{e-6}{Molar}. The excellent uniformity and batch-to-batch repeatability of the substrates makes them excellent candidates for reliable SERS sensing and biosensing.Moreover, a miscellaneous group of novel materials with enticing features that can be readily applied in sensing, catalysis, and plasmonics is presented. Bimetallic Pd/Au nanoparticles supported on gls{sinws} with gls{ald} and galvanic replacement were fabricated. Furthermore, hollow urchin-like ZnO structures with ZIF-8 via electrodeposition were fabricated for possible SERS applications.


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