Assembly of molecular nanomagnets into nanogap electrodes by dielectrophoresis. Realization of bioelectronic devices for electrical measurement of ionic current through membrane protein channels

par Yaser Vaheb

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Michel Lourtioz.

  • Titre traduit

    Assemblage de nano-aimants moléculaires entre électrodes séparées d’un nanogap. Réalisation de dispositifs bioélectroniques pour la mesure électrique du courant ionique à travers les canaux de protéines membranaires


  • Résumé

    Cette thèse se compose de deux parties qui peuvent être considérées comme deux aspects différents de l'électronique moléculaire avec pour point commun les moyens de nanofabrication mis en jeu pour réaliser des dispositifs de mesures électriques à bas courant. La première partie de la thèse concerne l'assemblage de nano-aimants entre électrodes à nanogap. Le besoin croissant de processeurs toujours plus performants et celui d’une densité de stockage toujours plus grande ont poussé la technologie CMOS couramment utilisée dans l'industrie à ses limites physiques vis-à-vis de sa miniaturisation. L'électronique moléculaire et la spintronique moléculaire se révèlent être des alternatives prometteuses à cette technologie pour les futurs dispositifs nanoélectroniques. Mes principaux travaux dans ce domaine ont porté sur l'assemblage entre des électrodes à nanogap, de nano-aimants moléculaires à base de bleu de Prusse ou de son analogue Cs–Co–Cr. Le but était ainsi de faire les premiers pas vers la construction de dispositifs en spintronique moléculaire. Des nanogaps de ~ 7 à 50 nm ont été fabriqués en palladium ou en or sur un substrat Si/SiO₂ par lithographie électronique et lift-off. Les nano-aimants ont été placés dans le gap par diélectrophorèse à courant alternatif (AC DEP). À température ambiante, un courant négligeable a été mesuré sur les jonctions utilisant des nanoparticules de Cs–Co–Cr alors qu’un courant de ~ 30 pA a été mesuré sur celles avec les nanoparticules en bleu de Prusse pour une tension de ~ 1 V. J’ai montré qu‘en fait, l’eau piégée dans les nanogaps altérait sérieusement les mesures de courants et nécessitait un recuit préalable. Pour optimiser la localisation des nanoparticules entre les électrodes, j’ai proposé un programme de simulation de la DEP ne tenant pas compte du mouvement brownien et de la dynamique des fluides. La deuxième partie de la thèse concerne la fabrication de dispositifs de type nanopatch-clamp planaire pour l'enregistrement de courants ioniques à travers les canaux ioniques des protéines membranaires. Les canaux de ces protéines incorporées dans les membranes cellulaires sont des composantes essentielles de toutes les cellules vivantes et sont à la base de divers processus physiologiques tels que ceux dans la communication nerveuse, la contraction musculaire, la sensation tactile, etc. Les mesures de transport d'ions sont maintenant utilisées dans diverses applications telles que le criblage de médicaments dans l'industrie pharmaceutique et les biocapteurs médicaux. La méthode classique pour effectuer des mesures de transport d'ions consiste à utiliser un système patch-clamp. Cependant, cette méthode nécessite d’importantes compétences, des équipements lourds et coûteux et présente une faible efficacité de mesure. Pour pallier ces inconvénients, une solution est de développer des patch-clamps planaires, qui sont modulables, automatisés et faciles d’utilisation. La fabrication du dispositif a consisté en la réalisation d’une piste conductrice constituée d’un empilement de couches Au/Ag sur un substrat de silicium oxydé. Cette piste a été passivée et isolée électriquement par une couche de Si₃N₄/SiO₂ dans laquelle j’ai gravé des micro-trous et j’ai ensuite converti la couche d’Ag en AgCl pour les mesures électriques. Afin de valider le fonctionnement du dispositif sans la membrane, j’ai procédé à des mesures de courant en fonction du temps pour diverses tensions, ce qui m’a ensuite permis de proposer un schéma équivalent électrique.


  • Résumé

    This thesis consists of two parts. The two parts correspond to two different subjects but with a common feature which is the fabrication of nanometer scale devices for low current measurements. The first part investigated the assembly of Prussian blue and Cs–Co–Cr Prussian blue analogue molecular nanomagnets into nano-patterned electrodes. The ever growing need for higher performance processors and higher storage densities has pushed the CMOS technology commonly used in industry to its physical limitations toward its miniaturization. Molecular electronics and molecular spintronics prove to be promising alternatives for the CMOS in future nanoelectronic devices. Pd or Au gaps with ~ 7–50 nm width were fabricated on a Si/SiO₂ substrate using standard electron beam lithography, metal deposition and lift-off. Nanomagnets were positioned between the gaps via AC dielectrophoresis (DEP). At room temperature, the Cs–Co–Cr Prussian blue analogue nanoparticles exhibited negligible current whereas junction with Prussian blue nanoparticles exhibited ~ 30 pA at ~ 1 V. Water trapped in nanogaps was found to seriously alter current measurements. This problem was solved by heating samples prior to measurements. A simplified DEP simulation program using Delphi was developed, which neglected Brownian motion and fluid dynamics but allowed us to better understand the DEP process. The second part of the thesis investigated the fabrication of devices for measuring electrical currents through membrane protein channels. Membrane-embedded protein channels are the basis of various physiological processes like nervous communication, muscular contraction, tactile sensation, and so on. Electrical measurements are used in different applications such as drug screening in pharmaceutical industry and biosensors. The standard method to perform such measurements is the use of patch-clamp. However, this method requires intense skill and heavy equipment while it exhibits low measurement efficiency. A solution to these drawbacks is the development of planar patch clamps, which are scalable, automated and easier to use. The first device fabrication step was the patterning of Au/Ag electrodes on thermally oxidized Si substrate by optical lithography, metallization and lift-off. Secondly, a passivation layer of Si₃N₄/SiO₂ was deposited on top of electrodes by PECVD. Then micro-holes were formed inside the Si₃N₄/SiO₂ passivation layer stack using Raith-150 e-beam lithography and reactive ion etching. Finally, Ag layer was converted to AgCl using bleach. The test of electrical current was done using Axopatch patch-clamp amplifier. Current versus time measurements for different voltages were recorded without membrane covering the holes, and an electrical model has been developed for the fabricated devices.


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