Design and study of electronic devices based on ZnO nanowires networks for biodetection

Les nanofils sont des structures combinant dimensions nanométriques, leur diamètre, et dimension micrométrique, leur longueur, à des propriétés intéressantes pour de nombreux domaines tels que l’électronique, l’optique et la détection de molécules. Cependant, en raison de leur petite taille, ils sont difficiles à manipuler ce qui rend leur intégration au sein de dispositifs complexe et coûteuse. Une solution de contournement à ce problème est de les assembler de sorte à former un réseau de nanofils aléatoirement orientés, aussi appelé nanonet, et qui présente alors une dimension macroscopique. Dans ce travail, nous utilisons comme support de recherche les nanofils d’oxyde de zinc assemblés en nanonets que nous avons intégrés avec succès pour trois applications : les transistors à effet de champ, la détection d’ADN et la détection d’acétone. Nous présentons tout d’abord toute la chaîne de fabrication des dispositifs comprenant la synthèse des nanofils, leur assemblage en nanonet et l’intégration de ces derniers dans des dispositifs selon deux voies totalement différentes. D’une part, nous avons développé l’intégration directe sur des microplateformes chauffantes porteuses d’électrodes, réalisées par un partenaire industriel, pour l’utilisation en tant que capteur de gaz. D’autre part, nous avons mis au point une filière de fabrication complète, qui a été développée et testée au cours de ce travail, pour les transistors à effet de champ. Nous abordons ensuite les performances des différents dispositifs développés. Les transistors à effet de champ que nous avons fabriqués présentent des performances remarquables encore jamais obtenues dans la littérature pour des dispositifs similaires. Ensuite, nous avons pu détecter avec succès l’ADN par fluorescence et mis en évidence l’effet de la densité du nanonet sur cette détection. Enfin, la détection d’acétone sous forme gazeuse a été réalisée sur une large gamme de conditions allant d’une atmosphère sèche à température ambiante jusqu’à une atmosphère très humide à 360°C. Ainsi, ce travail démontre que les nanonets de ZnO présentent des propriétés intéressantes qui offrent des perspectives d’applications dans des domaines aussi variés que l’électronique ou la détection de molécules chimiques ou biologiques.Nanowires are structures combining a diameter of nanometric dimensions and length of micrometric dimension with interesting features for many fields of application such as electronics, optics and molecular detection. However, their small size makes them difficult and costly to integrate into devices. One way to overcome this issue is to assemble them to form a network of randomly oriented nanowires, also called nanonet, which is of macroscopic scale. This work deals with zinc oxide nanonets, which were successfully integrated into three different types of devices: field-effect transistors, DNA sensors and acetone detectors. First, we present the whole fabrication process, from nanowires synthesis to nanonet fabrication and integration into functional devices. Two integration processes were used. The first one involved direct nanonet integration on micro-hotplates with electrodes, provided by our industrial partner, for gaz sensing applications. The second one was a full microelectronic process, which was developed and tested in this work, for the fabrication of field effect transistors. We then discuss the performance of the different devices developed. The fabricated field effect transistors demonstrated remarkable properties which had never been achieved before in the literature for similar devices. We successfully detected DNA by fluorescence and showed the influence of nanowires density on such a sensor. Finally, the electrical detection of gaseous acetone was carried out over a wide range of conditions from dry atmosphere at room temperature to very humid atmosphere at 360°C. This work shows that ZnO nanonets have interesting properties that offer prospects for applications in fields as varied as electronics or the detection of chemical or biological molecules

Conception et étude de dispositifs électriques à base de réseaux aléatoires de nanofils de ZnO pour applications biocapteurs

Nanowires are structures combining a diameter of nanometric dimensions and length of micrometric dimension with interesting features for many fields of application such as electronics, optics and molecular detection. However, their small size makes them difficult and costly to integrate into devices. One way to overcome this issue is to assemble them to form a network of randomly oriented nanowires, also called nanonet, which is of macroscopic scale. This work deals with zinc oxide nanonets, which were successfully integrated into three different types of devices: field-effect transistors, DNA sensors and acetone detectors. First, we present the whole fabrication process, from nanowires synthesis to nanonet fabrication and integration into functional devices. Two integration processes were used. The first one involved direct nanonet integration on micro-hotplates with electrodes, provided by our industrial partner, for gaz sensing applications. The second one was a full microelectronic process, which was developed and tested in this work, for the fabrication of field effect transistors. We then discuss the performance of the different devices developed. The fabricated field effect transistors demonstrated remarkable properties which had never been achieved before in the literature for similar devices. We successfully detected DNA by fluorescence and showed the influence of nanowires density on such a sensor. Finally, the electrical detection of gaseous acetone was carried out over a wide range of conditions from dry atmosphere at room temperature to very humid atmosphere at 360°C. This work shows that ZnO nanonets have interesting properties that offer prospects for applications in fields as varied as electronics or the detection of chemical or biological molecules.Les nanofils sont des structures combinant dimensions nanométriques, leur diamètre, et dimension micrométrique, leur longueur, à des propriétés intéressantes pour de nombreux domaines tels que l’électronique, l’optique et la détection de molécules. Cependant, en raison de leur petite taille, ils sont difficiles à manipuler ce qui rend leur intégration au sein de dispositifs complexe et coûteuse. Une solution de contournement à ce problème est de les assembler de sorte à former un réseau de nanofils aléatoirement orientés, aussi appelé nanonet, et qui présente alors une dimension macroscopique. Dans ce travail, nous utilisons comme support de recherche les nanofils d’oxyde de zinc assemblés en nanonets que nous avons intégrés avec succès pour trois applications : les transistors à effet de champ, la détection d’ADN et la détection d’acétone. Nous présentons tout d’abord toute la chaîne de fabrication des dispositifs comprenant la synthèse des nanofils, leur assemblage en nanonet et l’intégration de ces derniers dans des dispositifs selon deux voies totalement différentes. D’une part, nous avons développé l’intégration directe sur des microplateformes chauffantes porteuses d’électrodes, réalisées par un partenaire industriel, pour l’utilisation en tant que capteur de gaz. D’autre part, nous avons mis au point une filière de fabrication complète, qui a été développée et testée au cours de ce travail, pour les transistors à effet de champ. Nous abordons ensuite les performances des différents dispositifs développés. Les transistors à effet de champ que nous avons fabriqués présentent des performances remarquables encore jamais obtenues dans la littérature pour des dispositifs similaires. Ensuite, nous avons pu détecter avec succès l’ADN par fluorescence et mis en évidence l’effet de la densité du nanonet sur cette détection. Enfin, la détection d’acétone sous forme gazeuse a été réalisée sur une large gamme de conditions allant d’une atmosphère sèche à température ambiante jusqu’à une atmosphère très humide à 360°C. Ainsi, ce travail démontre que les nanonets de ZnO présentent des propriétés intéressantes qui offrent des perspectives d’applications dans des domaines aussi variés que l’électronique ou la détection de molécules chimiques ou biologiques

Effect of passivation on two-dimensional randomly oriented ZnO nanowire networks for the electrical detection of acetone

session posterInternational audienc

ZnO nanonets: functional nanomateials designed for electrical detection

Session sensing (Highlight)International audienc

Metal Oxide Nanonets for Gas Sensing Applications

session 2DaInternational audienc

ZnO nanonets: functional nanomateials designed for electrical detection

Session sensing (Highlight)International audienc

Semiconducting nanonets: Design and integration into functional devices for multiple sensing applications

session PMQ2: Semiconductor NanostructuresNational audienc

Randomly oriented monocrystalline ZnO nanowire networks for acetone electrical detection

International audienc

Toward an eco-friendly DNA grafting process based on epoxy silane functionalization

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Role of working temperature and humidity in acetone detection by SnO2_2 covered ZnO nanowire network based sensors

Special Issue "Semiconductor Nanowires: From Synthesis and Characterization to Devices"International audienceA randomly oriented nanowire network, also called nanonet (NN), is a nano-microstructure that is easily integrated into devices while retaining the advantages of using nanowires. This combination presents a highly developed surface, which is promising for sensing applications while drastically reducing integration costs compared to single nanowire integration. It now remains to demonstrate its effective sensing in real conditions, its selectivity and its real advantages. With this work, we studied the feasibility of gaseous acetone detection in breath by considering the effect of external parameters, such as humidity and temperature, on the device’s sensitivity. Here the devices were made of ZnO NNs covered by SnO$_2$ and integrated on top of microhotplates for the fine and quick control of sensing temperature with low energy consumption. The prime result is that, after a maturation period of about 15 h, the devices are sensitive to acetone concentration as low as 2 ppm of acetone at 370 °C in an alternating dry and wet (50% of relative humidity) atmosphere, even after 90 h of experiments. While still away from breath humidity conditions, which is around 90% RH, the sensor response observed at 50% RH to 2 ppm of acetone shows promising results, especially since a temperature scan allows for ethanol’s distinguishment