Conception, étude et modélisation d’une nouvelle génération de transistors à nanofils de silicium pour applications biocapteurs

A nanonet exhibits remarkable properties which arises from, not only, the intrinsic properties of each nanostructure but also from their assembly into network which makes them particularly attractive for various applications, notably in the field of optics, electronics or even biomedical. During this Ph.D. work, silicon nanowire-based nanonets were integrated for the first time into field effect transistors with a back gate configuration. The developed technological process is perfectly suitable with a large-scale and massive production of these devices at low cost without exceeding a thermal budget of 400°C. Major technological breakthroughs were achieved through the control of the sintering of nanowire junctions, the contact silicidation and the nanowire passivation with alumina. The as-fabricated nanonet transistors display outstanding, air stable and reproducible electrical characteristics which can compete with single nanowire-based devices. An in-depth study of percolation using experimental measurements and Monte-Carlo simulations highlighted that the conduction limitation by nanowire junctions allow to enhance drastically the electrical performances. After device integration into biosensors, it has been shown that transistors are electrically sensitive to DNA hybridization.Beneficiating from a fabrication process compatible with the microelectronic industry, a 3D integration of these nanonet-based transistors onto a readout circuit can therefore be envisioned which opens new avenues for portable biosensors, allowing direct and label-free detection of DNA. Furthermore, mechanical flexibility and optical transparency offer other opportunities in flexible electronic field.Un nanonet possède des propriétés remarquables qui proviennent non seulement des propriétés intrinsèques de chaque nanostructure mais aussi de leur assemblage en réseau ce qui les rend particulièrement attractifs pour de multiples applications, notamment dans les domaines de l’optique, l’électronique ou encore le biomédical. Dans ce travail de thèse, des nanonets constitués de nanofils de silicium ont été intégrés pour la première fois sous forme de transistors à effet de champ avec une grille en face arrière. La filière technologique développée est parfaitement compatible avec une production des dispositifs en masse, à bas coût et à grande échelle pour un budget thermique n’excédant pas 400°C. Des avancées technologiques majeures ont été réalisées grâce à la maîtrise du frittage des jonctions entre nanofils, de la siliciuration des contacts et de la passivation des nanofils avec de l’alumine. Les transistors à nanonets fabriqués présentent des caractéristiques électriques excellentes, stables sous air et reproductibles qui sont capables de concurrencer celles des transistors à nanofil unique. Une étude approfondie de la percolation par des mesures expérimentales et des simulations Monte-Carlo a mis en évidence que la limitation de la conduction par les jonctions entre nanofils permet d’améliorer considérablement les performances électriques. Après une intégration des dispositifs sous forme de biocapteurs, il a été montré que les transistors sont sensibles électriquement à l’hybridation de l’ADN. Bénéficiant d’un procédé de fabrication compatible avec l’industrie de la microélectronique, une intégration 3D de ces transistors à nanonet sur un circuit de lecture peut alors être envisagée ce qui ouvre la voie à des biocapteurs portables, capables de détecter l’ADN en temps réel et sans marquage. De plus, la flexibilité mécanique et la transparence optique du nanonet offrent d’autres opportunités dans le domaine de l’électronique flexible

Design, study and modeling of a new generation of silicon nanowire transistors for biosensing applications

Un nanonet possède des propriétés remarquables qui proviennent non seulement des propriétés intrinsèques de chaque nanostructure mais aussi de leur assemblage en réseau ce qui les rend particulièrement attractifs pour de multiples applications, notamment dans les domaines de l’optique, l’électronique ou encore le biomédical. Dans ce travail de thèse, des nanonets constitués de nanofils de silicium ont été intégrés pour la première fois sous forme de transistors à effet de champ avec une grille en face arrière. La filière technologique développée est parfaitement compatible avec une production des dispositifs en masse, à bas coût et à grande échelle pour un budget thermique n’excédant pas 400°C. Des avancées technologiques majeures ont été réalisées grâce à la maîtrise du frittage des jonctions entre nanofils, de la siliciuration des contacts et de la passivation des nanofils avec de l’alumine. Les transistors à nanonets fabriqués présentent des caractéristiques électriques excellentes, stables sous air et reproductibles qui sont capables de concurrencer celles des transistors à nanofil unique. Une étude approfondie de la percolation par des mesures expérimentales et des simulations Monte-Carlo a mis en évidence que la limitation de la conduction par les jonctions entre nanofils permet d’améliorer considérablement les performances électriques. Après une intégration des dispositifs sous forme de biocapteurs, il a été montré que les transistors sont sensibles électriquement à l’hybridation de l’ADN. Bénéficiant d’un procédé de fabrication compatible avec l’industrie de la microélectronique, une intégration 3D de ces transistors à nanonet sur un circuit de lecture peut alors être envisagée ce qui ouvre la voie à des biocapteurs portables, capables de détecter l’ADN en temps réel et sans marquage. De plus, la flexibilité mécanique et la transparence optique du nanonet offrent d’autres opportunités dans le domaine de l’électronique flexible.A nanonet exhibits remarkable properties which arises from, not only, the intrinsic properties of each nanostructure but also from their assembly into network which makes them particularly attractive for various applications, notably in the field of optics, electronics or even biomedical. During this Ph.D. work, silicon nanowire-based nanonets were integrated for the first time into field effect transistors with a back gate configuration. The developed technological process is perfectly suitable with a large-scale and massive production of these devices at low cost without exceeding a thermal budget of 400°C. Major technological breakthroughs were achieved through the control of the sintering of nanowire junctions, the contact silicidation and the nanowire passivation with alumina. The as-fabricated nanonet transistors display outstanding, air stable and reproducible electrical characteristics which can compete with single nanowire-based devices. An in-depth study of percolation using experimental measurements and Monte-Carlo simulations highlighted that the conduction limitation by nanowire junctions allow to enhance drastically the electrical performances. After device integration into biosensors, it has been shown that transistors are electrically sensitive to DNA hybridization.Beneficiating from a fabrication process compatible with the microelectronic industry, a 3D integration of these nanonet-based transistors onto a readout circuit can therefore be envisioned which opens new avenues for portable biosensors, allowing direct and label-free detection of DNA. Furthermore, mechanical flexibility and optical transparency offer other opportunities in flexible electronic field

Synthèse combinatoire & High Throughput Screening: une application aux conducteurs ioniques amorphes type LiPO(N)

International audienceDepuis son introduction en recherche pharmacologique, le criblage haut débit est une approche qui se développe dans une multitude de domaines. Il consiste en un couplage de méthodes de synthèse combinatoire permettant la préparation de bibliothèques de matériaux et la caractérisation automatisée et rapide de leurs propriétés. Son application en science des matériaux vise à accélerer la découverte de nouveaux composés chimiques performants . L'initiation de ce type de démarche se justifie d'autant plus aujourd'hui si l'on considère la faible part des matériaux organiques / inorganiques / composites connus, et les limites de la méthode d'étude 'classique' itérative quand il s'agit d'aborder des systèmes complexes (ternaires, quaternaires…

Synthèse combinatoire & High Throughput Screening: une application aux conducteurs ioniques amorphes type LiPO(N)

International audienceDepuis son introduction en recherche pharmacologique, le criblage haut débit est une approche qui se développe dans une multitude de domaines. Il consiste en un couplage de méthodes de synthèse combinatoire permettant la préparation de bibliothèques de matériaux et la caractérisation automatisée et rapide de leurs propriétés. Son application en science des matériaux vise à accélerer la découverte de nouveaux composés chimiques performants . L'initiation de ce type de démarche se justifie d'autant plus aujourd'hui si l'on considère la faible part des matériaux organiques / inorganiques / composites connus, et les limites de la méthode d'étude 'classique' itérative quand il s'agit d'aborder des systèmes complexes (ternaires, quaternaires…

Combinatorial synthesis & High Throughput Screening of LiPO(N) solid electrolyte as a study case for methodology validation

International audienceSince its introduction in pharmacological research, High Throughput Screening (HTS) approaches are developed in many fields. The latter aim at coupling combinatorial methods in order to synthesize a wide range of material libraries, and automated, fast characterization techniques. In material science, the goal is to accelerate the discovery of new keys organic, inorganic or composite breakthrough materials. This coupling may also bring beyond "classical" iterative method regarding the study of complex systems (ternary, quaternary…

Combinatorial synthesis & High Throughput Screening of LiPO(N) solid electrolyte as a study case for methodology validation

Since its introduction in pharmacological research, High Throughput Screening (HTS) approaches are developed in many fields. The latter aim at coupling combinatorial methods in order to synthesize a wide range of material libraries, and automated, fast characterization techniques. In material science, the goal is to accelerate the discovery of new keys organic, inorganic or composite breakthrough materials. This coupling may also bring beyond "classical" iterative method regarding the study of complex systems (ternary, quaternary…

Characterization of lithium phosphorus oxide thin film libraries by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy imaging: A step towards high-throughput quantitative analyses

International audienceElemental analysis is a challenge for the development of High Throughput Experimentation (HTE) on thin film materials, and an even greater one when it comes to screening lithium-containing battery materials. In this regard, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy has been evaluated here for the quantitative analysis of lithium in libraries of Li2.3PO3.65 amorphous solid electrolyte films. The LIBS analysis of multiple samples with the same composition, but with thicknesses ranging from 50 to 700 nm, has revealed a linear trend in the intensity ratio of the Li I 610.35 nm and P I 214.91 nm emission lines, opening the way to rapid quantitative analysis of material libraries. The sensitivity of the technique finally allowed the detection of the Li I 670.79 nm emission line for film thicknesses down to 4 nm, corresponding to 0.2% of the ablated volume, or about 0.15 pg of L

Combinatorial synthesis & High Throughput Screening of LiPO(N) solid electrolyte as a study case for methodology validation

International audienceSince its introduction in pharmacological research, High Throughput Screening (HTS) approaches are developed in many fields. The latter aim at coupling combinatorial methods in order to synthesize a wide range of material libraries, and automated, fast characterization techniques. In material science, the goal is to accelerate the discovery of new keys organic, inorganic or composite breakthrough materials. This coupling may also bring beyond "classical" iterative method regarding the study of complex systems (ternary, quaternary…

Mechanisms involved in the hydrothermal growth of ultra-thin and high aspect ratio ZnO nanowires

International audienceHydrothermal synthesis of ZnO nanowires (NWs) with tailored dimensions, notably high aspect ratios (AR) and small diameters, is a major concern for a wide range of applications and still represents a challenging and recurring issue. In this work, an additive-free and reproducible hydrothermal procedure has been developed to grow ultra-thin and high AR ZnO NWs on sol-gel deposited ZnO seed layers. Controlling the substrate temperature and using a low reagent concentration (1 mM) has been found to be essential for obtaining such NWs. We show that the NW diameter remains constant at about 20–25 nm with growth time contrary to the NW length that can be selectively increased leading to NWs with ARs up to 400. On the basis of investigated experimental conditions along with thermodynamic and kinetic considerations, a ZnO NW growth mechanism has been developed which involves the formation and growth of nuclei followed by NW growth when the nuclei reach a critical size of about 20–25 nm. The low reagent concentration inhibits NW lateral growth leading to ultra-thin and high AR NWs. These NWs have been assembled into electrically conductive ZnO nanowire networks, which opens attractive perspectives toward the development of highly sensitive low-cost gas- or bio-sensors

De l’élaboration de nanonets de silicium par voie liquide à la fabrication de transistors à effet de champ

National audienc