Fonctionnalisation de transistors à effet de champ à base de graphène : vers l'assemblage d'une interface de détection biologique contrôlée

Abstract

Les capteurs biologiques basés sur l’électronique nanométrique ont la propriété intéressante d’être à l’échelle des molécules étudiées. Plus spécifiquement, grâce à leurs propriétés électroniques exceptionnelles, les transistors à effet de champ à base de graphène (TECG) permettent des mesures électriques locales à grandes vitesses d’acquisition et sur de longues durées, offrant un cadre idéal pour la biodétection et l’étude de la cinétique moléculaire. Le présent mémoire traite de l’analyse, la mesure et la fonctionnalisation des TECG dans l’optique d’en faire des biocapteurs performants. En introduction, nous décrirons les propriétés électroniques du graphène ainsi que les principaux concepts reliés aux transistors de graphène et à la détection biologique. Puis, nous établirons les trois objectifs qui seront élaborés en autant de chapitres. Dans le premier chapitre, nous présenterons une revue de littérature critique qui cible l’analyse statistique et l’assemblage de l’interface de détection comme facteurs déterminants de la performance à l’aide d’analyses originales et d’une description approfondie de l’état du domaine. Dans le deuxième chapitre, nous présenterons des ajustements concrets aux sysèmes expérimentaux basés sur les recommandations émises dans la revue. D’abord, nous améliorons la productivité de la fabrication des transistors, puis développons une instrumentation permettant de mesurer plusieurs capteurs en parallèle. Dans le troisième chapitre, nous prendrons avantage de ces modifications pour présenter dans le deuxième article une méthode permettant une fonctionnalisation du graphène à la fois contrôlée et solide. En utilisant le voltage de grille, nous initions et suspendons la fonctionnalisation covalente du graphène aux sels de diazonium afin d’obtenir le taux de greffage désiré, tout en observant la réaction en temps-réel. Ainsi, par nos avancées méthodologiques et d’instrumentation, nous résolvons un enjeu critique du développement de la chimie de surface, centrale à la performance de biodétection.

Nanoscale electronics are a promising tool for biosensing as they fit their target’s size and allow for local, fast-paced measurements over long time scales. Because of their exceptional electronic properties, graphene field-effect transistors (GFETs) are excellent candidates for biosensing and studying molecular kinetics. This work discusses the analysis, measurement, and functionalization of GFETs as optimized biosensors. In the introduction, we describe the electronic properties of graphene and the main concepts related to GFETs and biodetection. We also establish the three aims of the project, elaborated in three chapters. The first chapter contains a critical literature review that uses original analyses and a thorough state-of-the-field to target statistical analysis and the biorecognition interface assembly as determining factors in sensing performance. In the second chapter, we present the practical adjustments to the experimental systems based on the review’s recommendations. First, we increase the productivity of device fabrication, then we develop a multiplexed electrical measurement setup. In the third chapter, we take advantage of these modifications to present in the second article a method for stable and controlled functionalization. Using the gate voltage, we start and stop the covalent functionalization of graphene with aryldiazonium salts to get the desired grafting level, while observing the reaction in real-time. Thus, with our advances in methodology and instrumentation, we solve a critical aspect of surface chemistry, central for biodetection performance