Modification de surface des couches minces d'oxydes pour la détection sélective de molécules gazeuses et biologiques

par Andrey Ryzhikov

Thèse de doctorat en Science et génie des matériaux

Sous la direction de Michel Labeau et de Alexandre Gaskov.

Soutenue en 2005

à Grenoble INPG .

mots clés

• Oxide-based materials and devices (03 ; 2012 ; San Francisco, Calif., Etats Unis)
• Gaz
• Étain

Résumé

Cette étude est consacrée à la modification de surface des éléments sensibles de capteurs de gaz de type résistif à base de SnO2 par l'utilisation de couches minces de membranes filtrantes, de même qu'à la modification de surface des couches minces d'oxydes par des oligonucléotides pour la détection de l'ADN. Les couches minces d'oxyde d'étain pur et dopé par le palladium pour les capteurs de gaz et les couches de SnO2, SnO2(F), TiO2, Al2O3 destinées aux biopuces ont été élaborées par pyrolyse d'aérosol et par pulvérisation magnétron. Une caractérisation détaillée de la microstructure et de la composition des couches d'oxydes a été entreprise par plusieurs techniques. La surface des couches de SnOl a été modifiée par le dépôt de couches minces poreuses de platine et de AI2O3 pur et dopé par des métaux nobles (Pd, Pt, Rh, Ru). Ces couches minces jouent le rôle de membranes filtrantes. Le dépôt superficiel de platine sur SnO2 a permis d'optimiser la sensibilité et la sélectivité de la détection de l'hydrogène en présence de CO. Un prototype de capteur intégré a été réalisé à base de couches de SnO2(Pt). Les membranes filtrantes à base d'alumine pure et dopée ont permis d'améliorer la sélectivité de la détection de gaz réducteurs (H2, CO, CH4, C3H8). La détection sélective de H2 en présence de CO et des hydrocarbures en présence de CO et H2 par les structures AI2O/SnO2(Pd) et Al2O3(M)/SnO2(Pd) est rendu possible. Les couches minces poreuses de Al2O3 pur et dopé ont été utilisées dans les structures MIS Pt/Al2O3/p-Si et Pt/AI2O3(M)/p-Si. Ces structures possèdent une sensibilité importante aux gaz réducteurs. La surface des couches de SnO2, SnO2(F), TiO2, AI2O3 a été successivement modifiée par le greffage d'oligonucléotides. L'utilisation de ces surfaces pour la détection optique de l'ADN par fluorescence a ainsi été validée. L'influence de la nature du matériau et de l'épaisseur des couches sur l'intensité de fluorescence a été étudiée.

Titre traduit

Surface modification of thin oxide films for selective detection of gas and biological molecules

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Résumé

This study is devoted to modification of surface of sensitive elements of resistive type SnO2 gas sensors by thin films filtering membranes and to modification of surface of thin oxide films by oligonucleotides for DNA detection. The thin films ofpure and Pd-doped tin dioxide for gas sensors and the films ofSnO2, SnO2(F), TiO2, AI2O3 for DNA biochips have been obtained by aerosol pyrolysis method and magnetron sputtering. Microstructure and compostion of the films have been investigated by multiple techniques. The surface of SnO2 films has been modified by deposition of thin films of platinum and pure and doped with noble metals (Pd, Pt, Rh, Ru) porous AI2O3. Platinum and alumina thin films play role offiltering membranes. Superficiel modification of SnO2 by platinum allows to optimise selectivity and sensitivity of hydrogen detection in presence of CO. A prototype of intergrated sensor has been realised on the base of SnO2(Pt) films. Pure and doped Al2O3 filtering membranes permet to improve selectivity of detection of reducing gases (H2, CO, CH4, C3H8). Selective detection ofhydrogen in presence of CO and ofhydrocarbons in presence of H2 and CO by AI2O3/SnO2(Pd) et AI2O3(M)/SnO2(Pd) structures is possible. Porous thin films of pure and doped AllO] have been studied in MIS structures Pt/AI2O3/p-Si et Pt/AI2O3(M)/p-Si. The structures possess high senstivity towards reducing gases. The surface of SnO2, SnO2(F), TiOl, AIzO] films have been successively modified with grafted oligonucleotides. The possibility of the use of the surfaces for optical detection of DNA by fluorescence has been proven. The influence of material and film thickness on fluorescence intensity has been studied.