Etude et intégration de transistors graphène/nitrure de bore à grille liquide, flexibles et sans fil pour la détection neuronale

Study and integration of flexible wireless liquid-gated graphene/boron nitride transistors for neural sensing

• Auteur / Autrice : Carole-Anne Lernoud
• Direction : Blaise Yvert, Clément Hébert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement
• Date : Soutenance le 08/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences de Grenoble (Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Edwige Bano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clément Hébert, Skandar Basrour, Christian Bergaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Rousseau, George Malliaras

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux 2D

Transistors à effet de champ

Implants médicamenteux

Biocapteurs

Mots clés libres

Implants médicaux sans fil

Biocapteurs

Transistors à effet de champ à grille liquide

Matériaux bidimensionnels

Wireless medical implants

Biosensors

Liquid-Gated field-Effect transistors

Two-Dimensional materials

Résumé

Les avancées des technologies de capteurs souples ouvrent de nouvelles perspectives pour le diagnostic biomédical chronique en permettant le relevé de données en temps réel tout en améliorant le confort du patient. Ces technologies font toutefois encore face à des problèmes de fiabilité, de stabilité chimique et mécanique. Des travaux montrent que les transistors graphène à effet de champ et grille liquide, basés sur un matériau bidimensionnel innovant, offrent des performances de stabilité et de sensibilité d’acquisition qui vont au-delà des technologies actuelles grâce, notamment, à la grande mobilité électronique observée. Cependant, les performances du graphène ne sont pas pleinement exploitées. La communication des données de mesure par usage de fils et l’alimentation du capteur par une batterie sont également contraignantes, induisant des microlésions, de possibles inflammations, une complexification de la chirurgie et un échauffement des tissus. La communication par voie électromagnétique est étudiée dans la littérature mais présente des limitations de transmission de données et de miniaturisation des antennes. Cette thèse vise à dépasser ces différents aspects et ainsi à contribuer au développement des capteurs souples, performants, sans fil et sans batterie pour une meilleure intégration chez de futurs patients.Dans un premier temps, nous proposons d’améliorer les capteurs souples à transistors graphène en les encapsulant par du nitrure de bore multicouche commercial synthétisé par dépôt chimique en phase vapeur. L’étude menée sur substrat rigide démontre une amélioration de différents paramètres physiques tels que la transconductance et le bruit de mesure. Des implants souples sont ensuite réalisés et caractérisés. Dans un second temps, une preuve de concept est établie entre la communication et l’alimentation sans fil et sans batterie d’un transistor graphène par une pastille piézoélectrique. La voie acoustique permet en effet d’augmenter la quantité de données transmises, d’envisager une meilleure miniaturisation, et de fournir une source d’énergie au capteur. Après une caractérisation de la pastille piézoélectrique pour connaître les plages de charges résistives et fréquentielles adaptées, les performances d’un transistor graphène alimenté en régime alternatif sont analysées. Le couplage transistor graphène souple – pastille piézoélectrique est ensuite réalisé dans une solution saline et à travers des tissus biologiques. De ces mesures, on montre qu’il est possible de collecter dans l’écho réémis le signal mesuré par le capteur.

Advances in flexible sensor technologies are opening up new prospects for chronic biomedical diagnostics, enabling data to be collected in real time while improving patient comfort. However, these technologies still face problems of reliability and chemical and mechanical stability. Research has shown that liquid-gated graphene field-effect transistors, based on an innovative two-dimensional material, offer stability and acquisition sensitivity that go beyond current technologies, thanks in particular to the high electron mobility observed. However, graphene's performance is not being fully exploited. The use of wires to communicate data and the use of a battery to power the sensor are also restrictive, leading to micro-lesions, possible inflammation, more complex surgery and heating of the tissues. Electromagnetic communication has been studied in the literature, but has limitations in terms of data transmission and antenna miniaturisation. This thesis proposes to overcome these various aspects and thus contribute to the development of flexible, high-performance, wireless and battery-free sensors for improved integration in future patients.Initially, we proposed to improve flexible graphene transistor sensors by encapsulating them with commercial multilayer boron nitride synthesized by chemical vapour deposition. The study, carried out on a rigid substrate, demonstrated an improvement in various physical parameters such as transconductance and measurement noise. Flexible implants were then produced and characterised. Secondly, a proof of concept was established between communication and wireless, battery-free powering of a graphene transistor by a piezoelectric disk. The acoustic pathway makes it possible to increase the amount of data transmitted, improves miniaturisation and provides a source of energy for the sensor. After characterising the piezoelectric disk to determine the appropriate resistive load and frequency ranges, the performance of an AC-powered graphene transistor was analysed. The flexible graphene transistor - piezoelectric disk coupling was then carried out in a saline solution and through biological tissue, showing that it is possible to collect the sensor signal in the reflected echo.