Institut d'Électronique et de Télécommunications de Rennes
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Développement de nano-capteurs bactériologiques par intégration de transistors à nanofils de silicium

Doctorant : Brice LE BORGNE.

Directrice de thèse : Anne-Claire SALAUN.

Thèse débutée le : 01/10/2013.

Mots clés : nano-objets, reconnaissance d’espèces biologiques, transistors à nanofils, sensibilité

Les priorités de recherche en biodéfense portent notamment sur les systèmes de tests et de détection de toxiques et contaminants, avec une montée en puissance des nano-biotechnologies. Le développement de biocapteurs et de laboratoire sur puce sont des éléments importants pour faire face aux menaces du bioterrorisme. La convergence entre biologie et microélectronique est indispensable pour le développement de nouveaux capteurs. Les agents biologiques ciblés sont les bactéries, les virus et les toxines et l’identification de l’agent biologique suspecté doit être réalisée le plus rapidement possible, sur place si possible. Les performances des outils de détection actuels sont jugés insuffisantes : seuils de détection élevés, temps de diagnostic relativement long. Une priorité est ainsi de développer des systèmes d’identification rapides présentant une grande sensibilité et sélectivité, dans des dispositifs compacts qui pourront être intégrés dans des systèmes de détection électronique intégrés ou embarqués.
Les nano-objets tels que les nanofils de silicium apparaissent comme de bons candidats pour être intégrés dans de tels biocapteurs. D’une part leur taille est comparable à celle des espèces cibles, comme les protéines par exemple, et d’autre part ces nano-objets ont un rapport surface sur volume particulièrement élevé (une variation de charge en surface sera donc plus facilement détectable), permettant ainsi une grande sensibilité aux charges électriques. La détection électronique de ces charges permet ainsi de s’affranchir de l’utilisation de marqueurs et de système de détection optique. De plus, les nanofils de silicium offrent la possibilité d’une chimie de fonctionnalisation sur silicium ou sur dioxyde de silicium, indispensables pour l’immobilisation d’agents biologiques cibles. Enfin, les biopuces à base de nanofils de silicium obtenus par méthode ‘top-down’ permettent d’envisager leur intégration dans des microsystèmes en technologie CMOS permettant une miniaturisation du système de détection.
Le Département Microélectronique et Microcapteurs de l’IETR a acquis ces dernières années une expertise sur la synthèse des nanofils [1, 2] reconnue sur le plan international et la démonstration d’un biocapteur pour la reconnaissance de l’hybridation de brins d’ADN complémentaires avec un seuil de détection de l’ordre du femtomolaire a été démontrée en 2012 [3]. Les perspectives sont d’améliorer la répétabilité de réponse entre puces, une solution pourra être apportée par des matrices de transistors à réseaux de nanofils. D’autre part, des premiers essais avec des nanofils suspendus, permettant l’augmentation de la surface d’échange du nanofil, ont montré des résultats très prometteurs en termes de sensibilité. L’objectif de la thèse est la conception de biopuces constituées de transistors à nanofils de silicium pour la détection de la reconnaissance d’espèces biologiques (protéines, virus ou bactéries). Le premier axe de recherche consistera à définir le design du transistor (réseaux de nanofils, transistors in-plane, transistors à nanofils suspendus, en configurations ‘bottom-gate’, ‘multi-gate’ ou en configuration ‘all-around’). Le second challenge sera d’adapter le transistor à une utilisation en milieu liquide, de fonctionnaliser les nanofils puis de valider la détection à partir d’une reconnaissance antigène/anticorps avec une grande sensibilité et sélectivité. Ces travaux permettront une évolution vers de nouvelles détections en intégrant de nouvelles technologies plus performantes, avec des besoins en dispositifs rapides, fiables, très sensibles et compacts.

[1] F. Demami*, R. Rogel, A-C.Salaün, L.Pichon, ‘Electrical properties of polysilicon nanowires for devices applications’, Phys. Status Solidi C 8, No. 3, 827–830, 2011.
[2] F. Demami*, L. Ni, R. Rogel, A-C. Salaün, L. Pichon, “Silicon nanowires based resistors as gas sensors”, Sensors and Actuators B : Chemical (2011). Sensors and Actuators B 170 (2012) 158– 162
[3] G. Wenga*, E. Jacques, A-C. Salaün, R. Rogel, L. Pichon, F. Geneste, “Step-gate polysilicon nanowires field effect transistor compatible with CMOS technology for label-free DNA biosensor”, Biosensors and Bioelectronics 40, p. 141–146, 2013.

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