Cristaux photoniques en diamant pour la réalisation de bio-capteurs innovants

par Petru Borta

Thèse de doctorat en Electronique et optoélectronique, nano- et microtechnologies

Sous la direction de Xavier Checoury.

Soutenue le 09-01-2019

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (2016-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Jocelyn Achard.

Le jury était composé de Xavier Checoury, Jocelyn Achard, Nicolas Le Thomas, Gaëlle Lissorgues, Hugues Girard.

Les rapporteurs étaient Nicolas Le Thomas, Gaëlle Lissorgues.


  • Résumé

    Au cours des dernières années, la recherche dans le domaine des bio-capteurs optiques sans marquage a connu une croissance rapide du fait de la nécessité de développer des méthodes toujours plus performantes pour la détection et la mesure de faibles concentrations de molécules spécifiques dans divers domaines. Parmi les différentes méthodes optiques existantes, les cristaux photoniques (CP) offrent une alternative prometteuse du fait de leur sensibilité. D’autre part, le diamant, utilisé comme matériau pour la réalisation de ces dispositifs offre de bonnes propriétés optiques et la possibilité de réaliser une fonctionnalisation de surface efficace facilement. Dans ce contexte, cette thèse propose un nouveau design de bio-capteur optique à cristaux photonique bi-dimensionnel en diamant, fonctionnant à des longueurs d'onde proche de 800 nm.Une géométrie originale de trous d'air circulaires organisés selon une maille carrée a été choisie pour maximiser la sensibilité du bio-capteur à des changements d'indice de réfraction en leur surface. Il a été démontré analytiquement que les modes à faible vitesse de groupe avaient une plus grande sensibilité à ces changements. Des méthodes numériques ont permis de préciser les paramètres géométriques optimaux du CP. Le design proposé est basé sur la mesure de décalage angulaire dans le spectre en réflexion d'un mode lent résonant du CP quand celui-ci est éclairé par une lumière monochromatique.Des films de diamant polycristallin de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres d’épaisseur ont été déposés sur différents substrats. L’ensemble des procédés technologiques nécessaires à la réalisation des CP et spécifiques aux films de diamant polycristallin ont été développés ou optimisés, comme, entre autre, un procédé de lissage obtenu par gravure plasma, un procédé de transfert de films de diamant sur un autre substrat par collage, un procédé d’amincissement des films de diamant et la fabrication des CP par lithographie électronique et gravure plasma.Les échantillons réalisés dans la salle blanche du C2N ont été mesurés optiquement et les hypothèses théoriques concernant les performances du capteur ont étés validées. Un mode avec une vitesse de groupe c/100 à une longueur d'onde de 800 nm a été mesuré et la sensibilité correspondant a cette structure a été estimée à 500 degrés par unité d'indice de réfraction (°/RIU), une valeur supérieure d’un ordre de grandeur à celles rencontrées couramment dans les capteurs à CP bidimensionnels. Ces résultats représentent un premier pas vers un biocapteur hautement sensible, comprenant une fonctionnalisation de surface du diamant pour une reconnaissance de cible spécifique.

  • Titre traduit

    Diamond photonic crystals for new bio-sensors


  • Résumé

    Over the last years, the research on the label-free biosensor topic has experienced a very rapid growth because of the need to develop high-performing methods to detect and measure low concentrations of specific molecules in various fields. Among all the methods proposed, photonic crystals (PhC) structures offers a good alternative due to their sensitivity. Moreover, the use of diamond as material make the proposed device more attractive due to its optical properties, high chemical stability and efficiency of surface functionalization. In this context, this PhD thesis propose a new design of optical bio-sensor based on diamond two-dimensional photonic crystals, working at the wavelength near 800 nm.An original geometry of circular air holes arranged in squared lattice was chosen in order to maximize the sensitivity of such photonic structures to refractive index changes on their surface. It was analytically proven that modes with low group velocity are more sensitive to these variations. Numerical methods gave the necessary information to determine the optimal geometrical parameters of the PhC. The proposed design is based on measuring the shift of the angular reflectivity of a low group velocity guided mode resonance (GMR) PhC when probed with a single frequency light.Polycrystalline diamond films were grown on two different substrates, with thicknesses ranging from a few hundreds of nanometers to several micrometers. The technological processes required for the realization of PhC on polycrustalline diamond were developed or optimized, such as surface planarization by inductively coupled plasma (ICP) dry etching, diamond film transfer onto new substrate by wafer bonding process, diamond films thinning and surface patterning with PhC using Electronic Beam Lithography (EBL) and ICP methods.The samples realized in clean-room facilities were optically measured and the theoretical assumptions were validated. A GMR with a c/100 group velocity at a wavelength of 800 nm was measured and its sensitivity is estimated to be in the order of 500 degrees/ refractive index unit (°/RIU), a value that is one order of magnitude higher than the typical values encountered for sensors based on 2D PhC. These results represents a first step towards a highly sensitive bio-sensor, including a diamond surface functionalization for specific target recognition.


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