Fabrication of Si and SiC nanowire-based nanodevices for biosensor applications

Les biocapteurs ont pour objectif de détecter de faible quantité de biomolécules afin d'améliorer laqualité et la précocité des diagnostics médicaux. Parmi eux, les transistors à nanofils sont desdispositifs prometteurs, car ils permettent la détection électrique de biomolécules sans marquage avecune grande sensibilité et un temps de réponse court. Actuellement, la plupart de ces dispositifs utilisedes nanofils de silicium, qui peuvent être limités par une faible résistance chimique, ce qui entrainedes variations du signal en présence de solutions biologiques. Pour palier ces inconvénients, le carburede silicium (SiC) est un matériau prometteur déjà utilisé dans le domaine biomédical pour lafabrication ou le recouvrement de prothèses ou de vis médicales. Outre ses propriétés semiconductrices,ce matériau est biocompatible et montre une forte inertie chimique. Par conséquent, ilouvre une voie à l'intégration in-vivo des capteurs.L'objectif de cette thèse est d'élaborer des biocapteurs SiC à l'échelle nanométrique pour détecter desmolécules d'ADN. La première étape est la fabrication des transistors à base de nanofils SiC à grillearrière. Un procédé original de fonctionnalisation combiné avec la lithographie et aboutissant augreffage covalent de molécules sondes d'ADN a été mis au point. Finalement, la réponse des capteursa été mesurée entre chaque étape du protocole de fonctionnalisation. Les variations du signal lors desétapes de greffage et d'hybridation des molécules d'ADN démontrent la capacité de ces dispositifs àdétecter des molécules d'ADN. Des mesures complémentaires ont aussi montré la stabilité, lasélectivité et la réversibilité du dispositif.Biosensors are designed to detect small quantities of biomolecules in order to improve the accuracyand earliness of medical diagnosis. Among them, nanowire transistors are promising devices, as theyallow the electrical detection of biomolecules without labeling with high sensitivity and a shortresponse time. Currently, most of these devices use silicon nanowires, which can be limited by a lowchemical resistance, which leads to signal variations in the presence of biological solutions. Toovercome these limitations, silicon carbide (SiC) is a promising material already used in thebiomedical field for the coating of prosthesis or bone screws. In addition to its semiconductingproperties, this material is biocompatible and shows a high chemical inertness. Therefore, it opens theway for in vivo integration of sensors.The goal of this thesis is to develop SiC biosensors at the nanoscale to detect DNA molecules. Thefirst step is the fabrication of SiC nanowire-based back gate transistors. A novel process combiningfunctionalization and lithography leading to the covalent grafting of DNA probe molecules has beendeveloped. Finally, the sensor response was measured between each step of the functionalizationprocess. The variations of the signal during the steps of grafting and hybridization of DNA moleculesdemonstrate the ability of these devices to detect DNA molecules. Additional steps have also shownthe stability, selectivity and reversibility of the device

Réalisation de nanodispositifs à base de nanofils Si et SiC pour des applications biocapteurs

Biosensors are designed to detect small quantities of biomolecules in order to improve the accuracyand earliness of medical diagnosis. Among them, nanowire transistors are promising devices, as theyallow the electrical detection of biomolecules without labeling with high sensitivity and a shortresponse time. Currently, most of these devices use silicon nanowires, which can be limited by a lowchemical resistance, which leads to signal variations in the presence of biological solutions. Toovercome these limitations, silicon carbide (SiC) is a promising material already used in thebiomedical field for the coating of prosthesis or bone screws. In addition to its semiconductingproperties, this material is biocompatible and shows a high chemical inertness. Therefore, it opens theway for in vivo integration of sensors.The goal of this thesis is to develop SiC biosensors at the nanoscale to detect DNA molecules. Thefirst step is the fabrication of SiC nanowire-based back gate transistors. A novel process combiningfunctionalization and lithography leading to the covalent grafting of DNA probe molecules has beendeveloped. Finally, the sensor response was measured between each step of the functionalizationprocess. The variations of the signal during the steps of grafting and hybridization of DNA moleculesdemonstrate the ability of these devices to detect DNA molecules. Additional steps have also shownthe stability, selectivity and reversibility of the device.Les biocapteurs ont pour objectif de détecter de faible quantité de biomolécules afin d'améliorer laqualité et la précocité des diagnostics médicaux. Parmi eux, les transistors à nanofils sont desdispositifs prometteurs, car ils permettent la détection électrique de biomolécules sans marquage avecune grande sensibilité et un temps de réponse court. Actuellement, la plupart de ces dispositifs utilisedes nanofils de silicium, qui peuvent être limités par une faible résistance chimique, ce qui entrainedes variations du signal en présence de solutions biologiques. Pour palier ces inconvénients, le carburede silicium (SiC) est un matériau prometteur déjà utilisé dans le domaine biomédical pour lafabrication ou le recouvrement de prothèses ou de vis médicales. Outre ses propriétés semiconductrices,ce matériau est biocompatible et montre une forte inertie chimique. Par conséquent, ilouvre une voie à l'intégration in-vivo des capteurs.L'objectif de cette thèse est d'élaborer des biocapteurs SiC à l'échelle nanométrique pour détecter desmolécules d'ADN. La première étape est la fabrication des transistors à base de nanofils SiC à grillearrière. Un procédé original de fonctionnalisation combiné avec la lithographie et aboutissant augreffage covalent de molécules sondes d'ADN a été mis au point. Finalement, la réponse des capteursa été mesurée entre chaque étape du protocole de fonctionnalisation. Les variations du signal lors desétapes de greffage et d'hybridation des molécules d'ADN démontrent la capacité de ces dispositifs àdétecter des molécules d'ADN. Des mesures complémentaires ont aussi montré la stabilité, lasélectivité et la réversibilité du dispositif

Detection of DNA using Silicon carbide nanowire based Field effect transistor

International audienc

DNA Detection Using SiC Nanowire Based Transistor

International audienceThe fast and direct detection of small quantities of biomolecules improves early medical diagnosis of certain serious diseases as cancers and can be used to detect in situ the presence of pathogenic viruses or GMOs for food industry, protection environmental and bio-defense. Numerous research projects are conducted on nanoelectronic devices that can perform such detection with high sensitivity using nanostructures. Currently, these devices are made from Silicon nanowires [1]. For these applications, Silicon Carbide (SiC) material can advantageously replace Silicon as this semiconductor is now known to be biocompatible and to show a high chemical inertness [2]. Here, we present the electrical detection of DNA using a SiC Nanowire Field Effect Transistor (NWFET). The NWFETs are fabricated and then functionalized with DNA molecules. Between each step of the functionalization process, I-V characteristic measurements are performed. Comparative and simultaneous measurements are carried out on two SiC NWFETs: one is the sensor and the second one is used as a reference. Some interesting properties of the sensor are studied for the first time which opens the way to future developments of SiC nanowire based sensors

Silicon Carbide Nanowire Devices for Label-Free Electrical DNA Detection

International audienceSilicon Carbide is a promising material to overtake the limitations of Si sensors used for in vivo detection. Here, two different nanodevices are presented. The first one is a SiC NWFET used for electrical detection of DNA molecules. The addition of DNA probe molecules increases the current by 25% and the hybridization with DNA targets increases by 80%. This confirms the efficiency of our sensor to detect DNA. The second one is a Metal Insulator Semicondutor capacitor composed of DNA functionalized SiC nanopillar arrays embedded in a sol-gel silicon dioxide matrix. Capacitance measurements show a singular response between 80 and 100 Hz which is attributed to the presence of DNA molecules

Fluorescence and Label Free Impedimetric DNA Detection on SnO 2 Nanopillars

International audienc

Silicon Carbide Biotechnology (Second Edition): A Biocompatible Semiconductor for Advanced Biomedical Devices and Applications

chap 9International audienc

First Experimental Functionalization Results of SiC Nanopillars for Biosensing Applications

International audienc