Réalisation et optimisation de biocapteurs à base de nanolignes SiC pour la détection électrique d’ADN

Sujet de Thèse 2018
Réalisation et optimisation de biocapteurs à base de nanolignes SiC pour la détection électrique d’ADN

Contexte scientifique :
La détection rapide et directe de faible quantité de biomolécules permet d’améliorer la précocité des diagnostics médicaux de certaines maladies graves comme les cancers, et peut être utilisée pour détecter in situ la présence de virus pathogènes ou d’OGM pour l’industrie agroalimentaire, la protection de l’environnement et la biodéfense.
Actuellement, de nombreuses recherches sont menées sur des dispositifs nanoélectroniques à base de nanofils de silicium [1] pouvant réaliser de telles détections avec une très grande sensibilité. Pour ces applications, le carbure de silicium (SiC) peut remplacer avantageusement le silicium. En effet, le SiC est déjà utilisé pour de nombreuses applications biomédicales: recouvrement de prothèses et de stents, structures biomimétiques et reconstruction cellulaire. Très récemment, il est apparu comme le meilleur candidat semiconducteur biocompatible [2], ce qui offre de nouvelles perspectives d’intégration de capteurs in-vivo.

Objectif du projet :
Notre projet de recherche vise à développer des transistors de type NWFET (NanoWire Field Effect Transistors) à base de nanostructures de SiC pour différentes applications : nanoélectronique dans des environnements critiques (température, gaz, rayonnement) ou nanocapteur de température, de gaz ou de molécules
biologiques. Ce projet s’intègre pleinement dans les axes du pôle « Physique, Ingénierie et Matériau » de l’Université Grenoble Alpes, ainsi que dans les thématiques d’importants programmes en cours au niveau local, national et international comme le Labex MINOS (Laboratoire de Minatec sur la Miniaturisation des Dispositifs Innovants de la Nanoélectronique), l’IRT Nanoélectronique et l’Institut Sinano.
Nous avons validé le concept de transistors à nanofil de SiC lors de thèses précédentes en aboutissant à un premier démonstrateur à l’échelle internationale [3, 4, 5]. Le greffage et la détection électrique d’ADN grâce aux NWFET réalisés à base de 2 types de nanostructures innovantes de SiC ont été démontrés [6, 7, 8, 9, 10]. Dans la continuité de ces travaux, cette nouvelle thèse a pour objectif de développer des biocapteurs à base de nanolignes gravées et d’optimiser les caractéristiques et les performances de ce dispositif en termes de sensibilité, limite de détection, réversibilité, sélectivité, stabilité et temps d’acquisition.

Programme de la thèse  :
Lors de la thèse, le doctorant prendra en charge l’élaboration des nanolignes à base de SiC, la réalisation des transistors de type NWFET, leur fonctionnalisation en allant jusqu’à la détection électrique de l’ADN. Les travaux seront menés au sein de 2 laboratoires grenoblois partenaires dans ce projet : IMEP (site grenoblois du laboratoire IMEP-LAHC) et LMGP. Les 4 grandes étapes du programme sont :

1. Elaboration des nanolignes SiC par 2 méthodes
   – Par gravure ICP (Inductively Coupled Plasma) de nanolignes dans une couche épitaxiée SiC de qualité et dopage contrôlés (IMEP) [4].
   – Par gravure ICP de nanolignes dans un film Si sur SOI (Silicon On Insulator) puis carburation de ces nanolignes Si dans un réacteur dédié à la croissance épitaxiale de type CVD (Chemical Vapor Deposition) afin d’obtenir des nanolignes coeur Si /coquille SiC (collaboration avec Univ. Parme et Univ South Florida). Des techniques comme la microscopie à force atomique AFM, la microscopie à transmission TEM, la spectroscopie Raman ainsi que la spectroscopie de photoélectrons XPS, seront utilisées pour les caractérisations physiques et l’optimisation des nanolignes obtenues (LMGP).
2.  Réalisation technologique des NWFETs
   Des nanodispositifs à grille arrière, à base de ces nanostructures SiC, seront élaborés grâce aux moyens technologiques de la Plateforme Technologique Amont (PTA) situé à Minatec en utilisant des techniques de dépôt et gravure, ainsi que les techniques avancées de lithographie ebeam et lift off pour la réalisation de microcontacts optimisés (IMEP).
3.  Fonctionnalisation et hybridation
   Le greffage covalent des sondes d’ADN sur les deux types de nanostructures sera réalisé de façon localisée en combinant, d’une part, un processus de fonctionnalisation chimique approprié [7], et d’autre part, la lithographie électronique (LMGP) [8]. La caractérisation électrique des biocapteurs sera menée sur les deux variantes technologiques et entre chaque étape de fonctionnalisation (IMEP).
4.  Détection électrique de l’ADN : évaluation et optimisation des performances
   A l’issue de la détection électrique de l’hybridation des molécules, les expérimentations porteront sur l’évaluation et l’optimisation des performances : étude de la sensibilité, limite de détection, réversibilité, stabilité et sélectivité.
   Des techniques, comme la mesure du courant (statique et temporelle), de l’impédance, du bruit électrique, seront utilisées sur les deux variantes de NWFETs (IMEP). Par ailleurs, l’acquisition en temps réel sera étudiée et développée par la mise en place de systèmes microfluidiques (LMGP).

Références:
[1] N. Gao, W. Zhou, X. Jiang, G. Hong, T-M Fu, C.M. Lieber, “General Strategy for Biodetection in High Ionic Strength Solutions Using Transistor-Based Nanoelectronic Sensors”, Nano Letters. 15, p2143−2148 (2015)
[2] S.E.Saddow, Silicon Carbide Biotechnology: A Biocompatible Semiconductor for Advanced Biomedical Devices and Applications. Elsevier Sciences (2011)
[3] K. Rogdakis, thèse de l’Université de Grenoble (2010)
[4] J.H. Choi, thèse de l’Université de Grenoble (2013)
[5] M. Ollivier, thèse de l’Université de Grenoble (2013)
[6] L. Fradetal, thèse de l’Université de Grenoble (2014)
[7] L. Fradetal, V. Stambouli,, E. Bano, B. Pelissier, J.H. Choi, M. Ollivier, L. Latu-Romain, T. Boudou, I. Pignot-Paintrand, “Bio-Functionalization of Silicon Carbide Nanostructures for SiC Nanowire-Based Sensors Realization”; Journal of Nanoscience and Nanotechnology 14, 5, p3391–3397 (2014)
[8] J.H.Choi, L.Latu-Romain, E.Bano, F.Dhalluin, T.Chevolleau, T.Baron, ”Fabrication of SiC nanopillars by inductively coupled SF6/O2 plasma etching”, Journal of Physics D: Appl. Phys. 45 p235204 (2012)
[9] M. Ollivier, L. Latu-Romain, M. Martin, S. David, A. Mantoux, E. Bano, V. Soulière , G. Ferro, T. Baron, « Si–SiC core–shell nanowires », J. Crystal Growth 363 p158-163 (2013)
[10] L. Fradetal, E. Bano, G. Attolini, F. Rossi, and V. Stambouli, “A Silicon Carbide nanowire field effect transistor for DNA detection”, Nanotechnology 27 (23) p235501 (2016)

Financement : :
Le contrat doctoral sera financé par l’Université Grenoble Alpes dans le cadre de l’Ecole Doctorale EEATS.

Candidatures :
Le candidat recherché est diplômé d’un Master Recherche dans le domaine des Micro-Nanotechnologies ou titulaire d’un diplôme d’ingénieur du même domaine (et avoir démontré des aptitudes à la recherche). Une expérience dans les procédés salle blanche et en caractérisation de dispositifs seraient un plus.
CV, notes de Master (M1 et M2) et lettre de motivation sont à adresser au directeur de thèse et co-encadrant avant le 10 juin 2018 pour un dépôt de dossier le 12 juin 2018

Edwige BANO , IMEP- LAHC , edwige.bano@grenoble-inp.fr
Valérie STAMBOULI , LMGP , valerie.stambouli-sene@grenoble-inp.fr
Si sa candidature est retenue, le candidat devra ensuite s’inscrire à l’Ecole Doctorale EEATS :
https://www.adum.fr/as/ed/page.pl?site=edeeats

Facebook

Twitter