Etude des interactions origami d'ADN/surface pour des applications en lithographie

Study of the DNA origami/surface interactions for lithographic applications

• Auteur / Autrice : Ludwig Rotsen
• Direction : Raluca Tiron, Gaëtan Bellot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 22/02/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Spinelli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Morvan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yann Chevolot, Nicolas Schabanel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanostructures

Autoassemblage

ADN

Lithographie

Mots clés libres

Auto-Assemblage

Origami d'ADN

Lithographie

Auto-Assemblage assisté par substrat

Lithography

DNA Origami

Self-Assembly

Substrate Self-Assisted self assembly

Résumé

La méthode des origamis d’ADN, permettant la création de motifs complexes en 2D et en 3D avec une précision nanométrique, est un outil de choix pour des applications biologiques et dans l’industrie de la micro/nanoélectronique. L’objectif de la thèse est de démontrer la possibilité d’utiliser les origamis d’ADN afin de créer des structures hiérarchiques pour répondre à des problématiques technologiques. La première partie de ce travail s’est focalisée sur la réalisation des designs, la synthèse et la purification des origamis d’ADN ainsi que leur assemblage hiérarchique en solution. Nous avons créé un origami formant des microfilaments par appariement de bases. Ils ont ensuite été utilisés pour le développement d’un procédé de préparation d’échantillons de cryo-TEM. Ensuite, nous avons mis au point un système d’origamis d’ADN s’auto-assemblant en réseaux carrés par complémentarité de forme en solution en présence de MgCl2 pour la création de réseaux de qubits sur silicium pour le calcul quantique. La seconde partie de la thèse s’est intéressée au contrôle des interactions ADN-surface, via la variation des concentrations de Mg2+ et des ratios Mg2+/Na+, afin de médier directement l’assemblage des réseaux 2D sur les substrats de SiO2 thermique. Par l’utilisation de différentes méthodes de traitement d’images, telles que la décomposition des fonctions de densité spectrale de puissance radiale et la détection des centres des origamis, nous avons pu montrer qu’en présence de 74 mM de MgCl2, l’augmentation de la concentration en NaCl entre 0 mM et 60 mM a permis d’éviter la formation de multicouches et l’élévation de l’ordre présent sur la surface. Nous avons aussi observé qu’à partir de 50 mM en NaCl, une très forte désorption des origamis de la surface était présente lors du rinçage provoquant la diminution de l’ordre.

The DNA origami method allows the creation of complex 2D and 3D patterns with nanometric precision, and as such is great tool for biological and microelectronic applications. The objective of this thesis is to show the feasibility of using DNA origamis to create hierarchical structures, in order to address problems in both domains. The first part of this work focused on the design, synthesis and purification of DNA origamis and their hierarchical assembly in solution. Firstly, we created an origami which forms microfilaments by base pairing for the preparation of biological cryo-TEM samples. Secondly, we developed a system of DNA origamis which can self-assembled into square 2D arrays by shape complementarity to realize qubit 2D arrays on silicon for quantum computing. The second part of this thesis focused on the control of DNA-surface interactions, by varying Mg2+ concentrations and Mg2+/Na+ ratios, to directly mediate the assembly of 2D arrays on thermal SiO2 substrates. The quality of the assembly was evaluated using two different image treatment methods, namely radial power spectral density function decomposition and origami center detection. We showed that in the presence of 74 mM MgCl2, the increase of the NaCl concentration between 0 mM and 60 mM induced the formation of multilayers and an increased the order of assembly on the surface. We also observed that NaCl concentrations higher than 50 mM result in very strong desorption of origamis from the surface during the rinsing step and led to the decrease of the order.