Conception, fabrication et caractérisation d'un capteur optique multimodal à nanostructures

Design, fabrication and characterization of a multimodal optical sensor with nanostructures

• Auteur / Autrice : Melissa Najem
• Direction : Thierry Taliercio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 12/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Nordin Felidj
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Taliercio, Nordin Felidj, Caroline Bonafos, Paolo Biagioni, Nathalie Destouches, Fernando Gonzalez-Posada Florès
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Bonafos, Paolo Biagioni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biocapteurs

Nanophotonique

Nanostructures

Résonance plasmonique de surface

Mots clés libres

Plasmonique

Nanostructures

Nanophotonique

Bio-Capteurs

Spectroscopie vibrationnelle exaltée dans l’infrarouge

Nanoantennes en Aluminium

Plasmonics

Nanostructures

Nanophotonics

Biosensors

Surface enhanced IR absorption spectroscopy

Aluminum nanoantennas

Résumé

Les biocapteurs plasmoniques ont reçu une appréciation croissante en raison de leur capacité à surveiller et à détecter une variété d'analytes jusqu'à de faibles concentrations. Ils ciblent un large éventail d'applications, principalement dans le traitement du cancer, la surveillance environnementale et les tests du COVID-19. Au cours de la dernière décennie, les biocapteurs plasmoniques ont prospéré grâce au développement rapide des techniques de nanofabrication. En effet, les nanoantennes plasmoniques mises en œuvre sont judicieusement adaptées pour combiner trois éléments clés : (1) une résonance plasmonique accordable en fonction de leurs tailles, de leurs compositions et de leurs arrangements, (2) leur capacité à générer des points chauds à leurs sommets pointus par l'effet de pointe, et (3) la possibilité d'améliorer l'intensité du champ proche électromagnétique qui l'accompagne en connectant les points chauds activés dans les gaps créés. En vue de cela, nous concevons des résonateurs plasmoniques triangulaires, intégrés dans une configuration MIM reposant sur un substrat de Si. Les triangles sont arrangées face à face, appelés nœuds de papillon, et dans un arrangement compact imitant la forme naturelle du nid d'abeille. La découverte scientifique capitale de cette thèse est de développer un transducteur plasmonique de type barre-code compatible avec la technologie MOS. Il ouvrira la voie à la détection de plusieurs caractéristiques moléculaires en un seul test. En fait, il est conçu pour couvrir un large spectre de l’IR allant de 1 000 à 10 000 cm^-1, simplement en modulant la longueur des côtés des triangles et la taille de leur espacement. Alternative aux métaux nobles, l’Al est sélectionné étant un bon matériau plasmonique, abordable, abondant et compatible avec les connaissances MOS. Pour étudier la réponse spectrale de ces réseaux périodiques de nanoantennes d’Al, le calcul FDTD est mis en place en utilisant le programme Lumerical. La source incidente est polarisée le long ou à travers l'axe principal de l’antenne (pointe-à-pointe) pour exalter le champs proche électrique dans les gaps correspondant, où il sera fortement localisé. L’intensité du champs électrique atteint ~ 10^3 pour un gap de 20 nm. Une attention particulière est portée à l'invariance de la réponse des HC grâce à leur symétrie quelle que soit la direction de polarisation de la lumière. Pour chaque valeur L, un pic principal de résonance plasmonique est détecté. Les nanoantennes d’Al sont principalement caractérisées à l'aide d'un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Un bon accord se manifeste entre la simulation (FDTD) et l'expérience (FTIR). Les nanoantennes d’Al de 50 nm d'épaisseur sont fabriquées en combinant la lithographie électronique avec des processus de métallisation et de décollage (lift-off) ou une gravure à l'argon et une technologie de nettoyage de résine. Les nanoantennes d’Al sont construites sur une couche de SiO2 de 20 nm d'épaisseur, pulvérisée sur une couche d'Al de 100 nm d'épaisseur qui sert de miroir. Les nanostructures métalliques à extrémités pointues sont séduisantes pour localiser et améliorer le champ proche qui est exploité dans la stimulation des applications de détection, en particulier la spectroscopie vibrationnelle exaltée dans l’infrarouge par des effets plasmonique de surface, nommée SEIRA. En effet, la SEIRA est issue du couplage entre la résonance plasmonique et la fréquence de vibration moléculaire provoquée en raison de l'augmentation de la section efficace d'interaction qui est un facteur limitant pour les spectroscopies Raman et IR traditionnelles. Notre surface multirésonante combine deux méthodes complémentaires : la détection de l'indice de réfraction ou de la résonance plasmonique de surface (SPR) et la spectroscopie SEIRA.

Plasmonic biosensors have received increasing appreciation owing to their capability to monitor and detect a variety of analytes down to some low concentrations. They are targeting a wide scope of applications mainly in cancer treatment, environmental monitoring, and COVID-19 testing. In the last decade, plasmonic biosensors are flourishing thanks to the fast development in nanofabrication techniques. Indeed, the implemented plasmonic nanoantennas are wisely tailored by combining three key elements: (1) their tunable plasmonic resonance based on their size, composition and arrangements, (2) their ability to generate hotspots at their sharp apexes by the lightning-rod effect, and (3) the possibility to improve the intensity of the accompanying near EM-field by connecting the activated hotspots into the created gaps. In line with this, we conceive triangular plasmonic resonators, assimilated in a MIM configuration that is integrated on a Si wafer. The triangles are assembled in tip-to-tip faced triangles, so-called Bowties, and in a compact arrangement mimicking the natural Honeycomb aspect. The scientific breakthrough of this thesis is to develop a barcode-like plasmonic transducer compatible with Si-technology. It will open the route toward the detection of several molecular features in a single test. Actually, it is tailored to cover a wide IR spectrum ranging from 1 000 to 10 000 cm^-1 by simply modulating the side length of the triangles and their in-between gap size. Alternative to noble metals, Al is selected for being a good plasmonic material, affordable, abundant, and compatible with MOS knowledge. To investigate the spectral response of these periodic Al nanoantennas arrays, FDTD solver (Lumerical) is employed. The excitation source is polarized along or across the tip-to-tip main axis to enhance the near E-field into the corresponding gap where it will be strongly localized. It reaches ~ 10^3 for a gap of 20 nm. Special attention is paid to the insensitivity of the HC resonance thanks to their symmetry invariance regardless of the light polarization direction. For each L value, one main plasmonic resonance peak is detected. Al nanoantennas are mainly characterized using Fourier Transform IR (FTIR) spectrometer. A good agreement is achieved between simulation (FDTD) and experiment (FTIR) results. 50 nm-thick Al nanoantennas are fabricated by combining electron-beam lithography with either metallization and lift-off processes or argon etching and resist cleaning technology. The Al nanoantennas are built on a 20 nm-thick SiO2 layer, sputtered on top of a 100 nm thick Al layer as a mirror. The metallic sharp-ended nanostructures are appealing to highly localize and enhance the near-field that is engaged in boosting the sensing applications, especially the surface-enhanced IR absorption (SEIRA) spectroscopy. Indeed, SEIRA is arising from the coupling between the plasmonic resonance and the triggered molecular vibration frequency owing to the increased interaction cross-section which is a limiting factor for traditional Raman and IR spectroscopies. Our multiresonant surface is combing two complementary methods, namely the refractive index or surface plasmon resonance (SPR) sensing, and the SEIRA spectroscopy.