Principaux types de transductions pour les études en phase liquide

Principaux types de transductions pour les études en phase liquide

Les capteurs dédiés aux études en phase liquide utilisent principalement quatre types de transduction : thermique, mécanique, optique et électrochimique [20].

Transduction thermique

Les méthodes de mesures basées sur la transduction thermique utilisent les propriétés endothermiques et exothermiques de certaines réactions chimiques. La variation de température est corrélée à la quantité de molécules cibles. Cette variation peut ensuite être mesurée par un capteur calorimétrique comme une thermistance. Il faut en général un analyte concentré et en grande quantité pour avoir une variation de température mesurable. De fait, cette contrainte limite le nombre d’applications [20], [21].

Transduction mécanique

Microbalances piézoélectriques
Les matériaux piézoélectriques se déforment lorsqu’ils sont soumis à un champ électrique, et présentent une différence de potentiel lorsqu’une pression mécanique leur est imposée. Le principe des microbalances piézoélectriques est le suivant : leur surface est fonctionnalisée pour que les molécules cibles puissent s’y greffer. La microbalance est ensuite polarisée de façon à vibrer dans son premier mode transverse. Lorsque des molécules se déposent à la surface de ces structures, il y a une légère variation de masse. La fréquence de résonance étant très dépendante de la masse totale en vibration, de faibles quantités de molécules peuvent avoir un impact significatif. Ces variations de fréquence permettent de remonter à la concentration de l’espèce à détecter (figure 3). La diminution des dimensions augmente le rapport surface sur volume de ces capteurs. L’influence des variations de masse en surface devient ainsi plus importante, et les capteurs deviennent plus sensibles. En revanche, il est difficile d’utiliser ces microbalances en phase liquide car la viscosité du milieu a un impact négatif sur la sensibilité de ces dispositifs [21], [22].

Capteurs à ondes de surface

Pour les microbalances piézoélectriques, ce sont les ondes stationnaires de volume qui sont utilisées. Les capteurs à ondes de surface utilisent, comme leur nom l’indique, des ondes acoustiques de surface. Des électrodes interdigitées excitent un matériau piézoélectrique, ce qui a pour effet de créer des ondes de surface. Ces ondes se propagent en surface du capteur et sont mesurées plus loin par d’autres électrodes interdigitées (figure 4 [23]). Les variations du milieu, dues à la fixation des molécules cibles, influencent la propagation des ondes entre les électrodes. Mais, les fréquences en jeu étant élevées (30-500 MHz), l’absorption des ondes est très importante, ce qui rend difficile l’utilisation en phase liquide de ces capteurs [21], [24].

Les microleviers
Les microleviers peuvent servir à la détection de la même manière que les microbalances piézoélectriques. Après fonctionnalisation, il est possible de mesurer les variations de fréquence de résonance lorsque les molécules cibles se greffent à leur surface (figure 5 [25]). Ces microleviers ont en plus un mode de fonctionnement statique. C’est-à-dire qu’il est possible de détecter leurs faibles déformations lorsque les molécules cibles viennent se lier à leur surface. Ce mode de fonctionnement est très intéressant pour les mesures en phase liquide, la viscosité du milieu n’ayant pas beaucoup d’influence sur le fonctionnement en statique [21], [26], [27].

Transduction optique

L’utilisation de transducteurs optiques ou optoélectroniques pour l’analyse chimique est très répandue. Ces techniques utilisent les variations de différents paramètres optiques, les plus courants étant l’indice de réfraction, la réflectivité, l’absorption et la luminescence. La détection optique peut être classée en trois grandes catégories [28] :
● La spectroscopie directe qui comprend la fluorescence, l’absorption IR/UV, la spectroscopie Raman.
● L’utilisation de réactifs (luminescence, fluorescence).
● L’utilisation de plateformes comme les guides d’ondes ou les fibres optiques, et l’utilisation de techniques basées sur les propriétés d’absorption, de réfractométrie ou de fluorescence.

Les composants les plus communément utilisés sont les lasers, les diodes électroluminescentes, les photodiodes et les fibres optiques. Les techniques de caractérisations optiques sont nombreuses et il n’est pas possible de toutes les détailler. Parmi elles, la résonance des plasmons de surface (SPR) est très intéressante [29], [30]. Un plasmon est un quantum d’oscillation de plasma ; dans un métal il est lié à l’oscillation collective des électrons libres. Une partie de la lumière incidente sur un métal peut interagir avec les plasmons de surface et diminuer l’intensité de la lumière réfléchie à un angle très précis. La SPR est une technique optique qui consiste à mesurer les changements d’indice de réfraction dus à l’adsorption de molécules à la surface d’une très fine couche de métal (figure 6 [31]). Pour cela, la surface du capteur est fonctionnalisée pour que les molécules cibles puissent s’y immobiliser. Lorsqu’un nombre suffisant de molécules sont immobilisées, l’indice de réfraction de la surface du capteur varie en temps réel. En plus de la concentration en molécules cibles, la SPR procure des informations sur les interactions entre les molécules cibles et les molécules de la fonctionnalisation. Il est possible de mesurer l’affinité, l’enthalpie, la stœchiométrie, la cinétique et les énergies d’activations des interactions. C’est une technique rapide, sans marquage et adaptable à un grand nombre d’analytes.

Transduction électrochimique

Les transducteurs électrochimiques mesurent l’activité des ions en milieux liquides, ils sont donc spécialisés pour l’étude en phase liquide. Ils peuvent faire un suivi en continu et donner des informations sur la cinétique des réactions [21]. L’échantillon à analyser n’a pas besoin d’agent chimique de marquage, ce qui est un grand avantage. [1]. La transduction électrochimique se divise en trois grandes familles : l’ampérométrie, l’impédancemétrie et la potentiométrie.

Familles de transduction électrochimique

L’ampérométrie

L’ampérométrie consiste en la mesure du courant d’oxydation ou de réduction d’une espèce électroactive. Ceci est habituellement réalisé en maintenant un potentiel constant entre une électrode de travail, et une électrode de référence. Si les courants sont supérieurs au microampère, il faut utiliser un système à trois électrodes avec l’ajout d’une contre-électrode. Le courant circulant est corrélé à la concentration de l’espèce électroactive ou à la vitesse à laquelle les espèces sont produites [20], [21].

L’impédancemétrie

L’impédancemétrie est basée sur la mesure de la conductivité ou de la capacité entre deux conducteurs. Lorsque l’impédance est mesurée à tension continue, elle dépend de la concentration en ions. Lorsque les mesures sont réalisées à tension alternative, il est possible de remonter aux variations de capacités engendrées par l’interaction de certaines substances avec les matériaux d’électrodes [12], [32].

Table des matières

I. INTRODUCTION GENERALE
I.1 TRANSDUCTEUR, CAPTEUR, ANALYSE
I.2 BESOINS D’ANALYSES EN PHASE LIQUIDE
I.3 CONTEXTE
II. ETAT DE L’ART
II.1 INTRODUCTION
II.1.1 Principaux types de transductions pour les études en phase liquide
II.1.1.1 Transduction thermique
II.1.1.2 Transduction mécanique
II.1.1.2.1 Microbalances piézoélectriques
II.1.1.2.2 Capteurs à ondes de surface
II.1.1.2.3 Les microleviers
II.1.1.3 Transduction optique
II.1.1.4 Transduction électrochimique
II.2 FAMILLES DE TRANSDUCTION ELECTROCHIMIQUE
II.2.1 L’ampérométrie
II.2.2 L’impédancemétrie
II.2.3 La potentiométrie
II.2.3.1 L’ISE
II.2.3.2 L’ISFET
II.2.3.3 La mesure du pH avec un ISFET
II.2.4 Microélectronique et microtechnologies pour l’intégration de capteurs électrochimiques en phase liquide
II.3 DEVELOPPEMENT DE NANOTRANSISTORS A EFFET DE CHAMP
II.3.1 Miniaturisation extrême, du micro au nano
II.3.2 Méthodes de fabrication des nanofils
II.3.2.1 Approche montante
II.3.2.2 Approche descendante
II.3.2.2.1 Diminution des dimensions des nanofils
II.3.2.2.2 Méthodes de fabrication originales dans la littérature
II.3.3 Intégration système
II.3.4 Principales caractéristiques des transistors à base de nanofils de silicium
II.3.4.1 Nanofil avec ou sans jonctions ?
II.3.4.2 Isolant de grille et couche de passivation
II.3.4.3 Influence de la forme du nanofil, forme de la grille et de la diminution des dimensions
II.3.4.3.1 Effet de la forme du nanofil
II.3.4.3.2 Effet du « diamètre » du nanofil
II.3.4.3.3 Avantage des nanofils en termes de sensibilité ?
II.3.4.3.4 Commande de grille
II.3.5 Microfluidique
II.3.6 Fonctionnalisation
II.4 POSITIONNEMENT DE CETTE THESE
III. ETUDE DE L’ALUMINE AL2O3 DEPOSEE PAR ALD
III.1 INTRODUCTION
III.2 CHOIX DES PLAQUETTES SUPPORT POUR REALISER LES DEPOTS
III.3 PRE-ETUDE, CALIBRATION DU DEPOT
III.4 ETUDE DE L’ALD-AL2O3 PAR ELLIPSOMETRIE
III.4.1 Etude de la cinétique du dépôt d’ALD-Al2O3
III.4.2 Etude de l’influence de traitements thermiques sur l’ALD-Al2O3
III.4.3 Etude d’une structure bicouche Al2O3 sur SiO2
III.5 ETUDE EN GIXRD DE LA CRISTALLISATION DE L’ALUMINE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE RECUIT
III.6 ETUDE DE L’INTERFACE SILICIUM/ALUMINE A L’AIDE DE LA MICROSCOPIE ELECTRONIQUE EN TRANSMISSION (MET)
III.6.1 Procédé de fabrication des lames MET avec le FIB
III.6.2 Etude des dépôts d’alumine par ALD sans traitement thermique
III.6.2.1 Etude au MET de dépôts de 30 et 60 cycles ALD, sans traitement thermique
III.6.2.2 Etude au MET de dépôts de 300 et 600 cycles ALD, sans traitement thermique
III.6.3 Interprétation des résultats
III.6.4 Influence des traitements thermiques sur les dépôts d’alumine par ALD
III.6.4.1 Etude au MET de deux dépôts d’alumine de 600 cycles ALD recuits, l’un à 650 °C et l’autre à 750 °C70
III.6.4.2 Etude au MET de l’influence de la cristallisation d’un dépôt de 600 cycles d’alumine par ALD recuit à 900 °C
III.6.5 Etude au MET d’une structure bicouche : 10 nm de SiO2 sous 400 cycles d’alumine par ALD
III.6.6 Conclusion des caractérisations par MET
III.7 ETUDE DE LA RUGOSITE DE SURFACE DE L’ALUMINE PAR MICROSCOPIE A FORCE ATOMIQUE (AFM)
III.8 ETUDE DES CONTRAINTES DANS L’ALUMINE
III.9 ETUDE DES PROPRIETES DE GRAVURE DE L’ALUMINE
III.9.1 Gravure humide
III.9.2 Gravure sèche
III.10 ETUDE DES CARACTERISTIQUES DIELECTRIQUES DE L’ALUMINE DEPOSEE PAR ALD
III.10.1 Caractérisations capacité-tension C(V)
III.10.1.1 Principe de la C(V)
III.10.1.1.1 Différents types de charges dans l’isolant
III.10.1.1.2 Méthode pour déterminer le type de charges dans l’isolant à l’aide de courbes C(V)
III.10.1.1.2.1 Les charges fixes
III.10.1.1.2.2 Les charges mobiles dans l’isolant
III.10.1.1.2.3 Les charges à l’interface
III.10.1.1.3 Calcul de la constante diélectrique avec les mesures C(V)
III.10.1.2 Mesures C(V) avec une sonde mercure sur des dépôts d’alumine
III.10.1.2.1 Etude C(V) de l’alumine
III.10.1.2.2 Influence des traitements thermiques
III.10.1.3 Procédé de fabrication des capacités MIS
III.10.1.4 Caractérisations C(V) des capacités MIS
III.10.1.4.1.1 Structure MIS avec Al2O3 sans traitement thermique
III.10.1.4.1.2 Structure MIS avec Al2O3 recuit à 900 °C
III.10.1.4.1.3 Structure MIS avec 10 nm de SiO2 + Al2O3 recuite à 900 °C
III.10.2 Caractérisations courant-tension I(V)
III.10.2.1 Champ de claquage de l’alumine
III.10.2.2 Mécanisme de conduction dans l’alumine
III.11 REALISATION DE TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP SENSIBLES AUX IONS, DE TYPE PLANAIRE
III.11.1 Procédé ISFET planaire
III.11.2 Comparaison des ISFET Si3N4 et Al2O3
III.11.2.1 ISFET à base de Si3N4
III.11.2.2 ISFET à base d’Al2O3 sans traitement thermique
III.11.3 Etude de l’influence d’un traitement thermique sur les caractéristiques des ISFET Al2O3
III.11.3.1 ISFET Al2O3 recuit à une température inférieure au point de cristallisation
III.11.3.2 ISFET Al2O3 recuit à une température supérieure au point de cristallisation
III.12 CONCLUSION DE L’ETUDE DE L’ALD-AL2O3
IV. CONCLUSION GENERALE

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