Procédés de mise à l’échelle pour la fabrication et la caractérisation de biocapteurs de graphène à effet de champ

Abstract

Alors que la découverte de matériaux conducteurs de faible dimension fait progresser la mi- niaturisation des composants électroniques, les transistors à effet de champ (FET) peuvent désormais incorporer des éléments à molécule unique comme canal ou grille. Ces petites architectures permettent, entre autres, l’étude de molécules uniques, notamment par l’ob- servation de leur dynamique de repliement-dépliement ou de liaison. Ces études ont été principalement réalisées avec des transistors à effet de champ à base de matériaux unidimen- sionnels (1D) tels que les nanotubes de carbone (CNT) ou les nanofils de silicium. Du fait de leur dimensionnalité réduite, ces matériaux offrent un bon contrôle de leur interaction avec les molécules 0D, et donc de leur intégration au circuit. Cependant, ces matériaux 1D présentent des problèmes de reproductibilité et de mise à l’échelle, du fait qu’ils sont difficiles à croître et/ou à assembler dans les dispositifs FET. Cette thèse s’intéresse à l’utilisation d’un matériau carboné à deux dimensions, le gra- phène, comme alternative pour la fabrication de dispositifs pour l’étude de dynamiques de molécules uniques. En effet, le graphène est un matériau à deux dimensions composé d’un ré- seau hexagonal d’atomes de carbone, avec une excellente conductivité électrique ainsi qu’une chimie à base de carbone permettant l’ancrage de molécules biologiques à sa surface, ce qui en fait un candidat de choix pour la détection électrique de molécules individuelles. Sa di- mensionnalité est aussi compatible avec des procédés de microfabrication à grande échelle, ce qui offre la possibilité d’études statistiques sur de grands nombres de dispositifs. Ainsi, la détection de molécules biologiques utilisant des transistors à effet de champs à base de graphène (GFET) a connu un développement et un engouement important au cours de la dernière décennie, mais plusieurs aspects restent à résoudre, notamment la mise à l’échelle de la fabrication, le contrôle de la chimie de fonctionnalisation, et la miniaturisation du canal à l’échelle de la molécule unique. Dans cette thèse, des contributions sur ces trois aspects sont présentées. Premièrement, je décris une méthode de mise à l’échelle du transfert de graphène dans une optique d’indus- trialisation, par la conception et l’implémentation d’un montage de transfert de graphène permettant l’automatisation et l’augmentation du rendement de la fabrication de GFET. Je m’intéresse ensuite à la fonctionnalisation des dispositifs de graphène avec une molécule d’ancrage communément utilisée dans le cas des biodétecteurs basés sur des GFET, afin de révéler les cinétiques associées à l’adsorption et à l’accumulation de la molécule à la surface du graphène. Enfin le dernier chapitre décrit la conception d’une architecture de GFET pour l’accueil d’une molécule unique d’ADN, basée sur des nanoconstrictions mises en place dans le canal de graphène. Ces constrictions ont été obtenues à l’aide de la lithographie par faisceau d’électrons (EBL) et gravure ionique réactive profonde (DRIE), qui nous permet de modeler des structures à haute résolution de quelques dizaines de nanomètres dans le canal de graphène. Des nanopuits perpendiculaires à la constriction sont par la suite ouverts dans de la résine, favorisant le confinement de la chimie d’immobilisation de la molécule unique en un seul point. J’explore ensuite la liaison d’un brin unique d’ADN sur la nanoconstriction, et l’étude dynamique de son repliement. Cette thèse présente donc des résultats innovants en termes d’architectures et de procédés de mise à l’échelle de GFET à des fins de biodétection.

With the discovery of low-dimensional conductive materials advancing the miniaturization of electronic components, field-effect transistors (FET) can now incorporate single-molecule elements as a channel or gate. Among their applications, these small architectures allow single-molecule studies, for instance by observing their folding-unfolding or binding dy- namics. These studies were mainly carried out with field-effect transistors based on one- dimensional (1D) materials such as carbon nanotubes (CNT) or silicon nanowires (SiNW). Due to their reduced dimensionality, these materials offer good control on their interaction with 0D molecules, and therefore of their integration into the circuit. However, these 1D materials present reproducibility and scaling issues, due to the fact that they are difficult to grow and/or assemble in FET devices. This thesis focuses on the use of a two-dimensional carbon-based material, graphene, as an alternative for the fabrication of devices for studying the dynamics of single molecules. Graphene is a hexagonal network of carbon atoms that offers an excellent electrical conduc- tivity as well as a carbon-based chemistry for anchoring biological molecules on its surface, this makes it a prime candidate for the electrical detection of individual molecules. Above all, its dimensionality is compatible with large-scale microfabrication processes, which offer the possibility of statistical studies on a large number of devices. Thus, the detection of biological molecules using graphene-based field-effect transistors (GFET) has experienced significant development over the past decade, but several aspects remain to be resolved, including scale- up of the manufacturing, control of the functionalization chemistry, and miniaturization of the channel at the single molecule scale. In this thesis, I present contributions on these three aspects. First, I describe a method for scaling up graphene transfer in an industrialization perspective, by designing and implementing a graphene transfer setup allowing automation for increasing the yield of GFET fabrication. I then focus on the functionalization dynamics of graphene devices with an anchor molecule named PBASE (1-Pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimide ester) commonly used in the case of GFET-based biosensors, which reveals the adsorption and accumulation kinetics of the molecule on the graphene surface. Finally, I describe the design of a GFET architecture based on nanoconstrictions implemented in the graphene channel, designed to host a single molecule. These constrictions were obtained using electron beam lithography (EBL) and deep reactive ion etching (DRIE), which allows the modeling of high-resolution features of a few nanometers in the graphene channel. Nanowells were opened in the resin perpendicular to the constriction, promoting single-point, single-molecule chemistry. I then explore the immobilization of a single strand of DNA on nanoconstriction, and the dynamic study of its folding. This thesis therefore presents innovative results in terms of architectures and scaled implementation processes of GFET for biodetection purposes.