Etude D'un Nano-bio-capteur À Base De Zno Nanostructuré Et À Cascade Quantique

Résumé: Dans cette thèse, nous procédons à une étude détaillée d’un ‘’nanobiocapteur’’ ou capteur de molécules biologiques à l’échelle nanométrique. Ce capteur est basé sur le matériau semiconducteur II-VI à grand gap l’oxyde de Zinc ZnO qui possède de nombreuses propriétés importantes* dont celle, plus particulière pour notre étude, d’être piézoélectrique**.Ce matériau peut également être combiné avec MgO pour former l’alliage MgxZn1-xO, ce qui permet de former des nanostructures de ZnO/MgxZn1-xO, en couches épitaxiales ‘’épaisses’’ (≥1µm) dites ‘’bulk’’, ou en couches très fines (<1µm) quantifiées où ZnO forme le puits quantique et MgxZn1-xO forme la barrière de potentiel. Ces combinaisons de matériaux ZnO/MgxZn1-xO ouvrent la voie à la conception de capteurs à transducteurs inter-digités (IDT) très sophistiqués utilisant à la fois les propriétés électroniques, optoélectroniques et acoustiques de ces systèmes. Les transducteurs inter-digités sont des composants à cavité de résonance acoustique, utilisant les ondes acoustiques de surface (SAW) et formés essentiellement de 3 zones : une zone active centrale ou zone de détection comprise entre deux zones de commande couvertes chacune d’un jeu d’électrodes inter-digitées pour l’entrée et la sortie du signal électronique, respectivement. Dans notre étude, nous nous intéressons à deux cas particuliers de transducteurs inter-digités à ondes acoustiques de surface SAW-IDT à base de nanostructures de ZnO/MgxZn1-xO: Le transducteur SAW-IDT purement électro-acoustique à signal électronique Le transducteur SAW-IDT électro-acousto-optique à signal optique Un SAW-IDT purement électro-acoustique basé sur le couplage électromécanique induit par l’effet piézoélectrique : l’onde acoustique de surface (SAW) est crée sous l’électrode inter-digitée IDE d’entrée par un signal électrique haute fréquence appliqué en entrée. Cette onde acoustique se propage ensuite vers l’électrode inter-digitée de sortie en passant par la zone active avant de se réfléchir partiellement sur cette électrode IDE de sortie et de repartir en sens inverse. Cette réflexion est partielle car une partie de l’onde acoustique est absorbée sous l’électrode de sortie par l’effet piézoélectrique inverse et donne un signal électronique en sortie. Dans la zone active entre les deux électrodes IDE, un système d’ondes SAW stationnaires se forme par les interférences entre les ondes SAW constamment émises par l’IDE d’entrée et celles constamment réfléchies par l’IDE de sortie. Il en résulte un résonateur ou un filtre selon la configuration du système : dimensions de la zone active, dimensions des doigts (digits) des électrodes inter-digitées, fréquence du signal en entrée, configuration piézoélectrique (direction du champ électrique piézo par rapport à la direction de propagation de l’onde acoustique de surface),… La configuration qui nous intéresse est celle d’un capteur en mode résonateur accordé sur une fréquence de résonance précise ou fréquence de détection. Ce mode permet à la fois la détection autour de la fréquence de résonance et l’amplification de ce signal grâce au phénomène de résonance, La molécule biologique à détecter interagit avec l’onde acoustique de surface dans la zone active. Il s’ensuit une modification de l’onde acoustique (forme, amplitude, fréquence ou phase,…) qui se répercute via l’effet piézoélectrique sur le signal généré par l’électrode IDT en sortie c.a.d. une modification du signal électronique en sortie (forme, amplitude, fréquence ou phase,…) Le transducteur SAW-IDT électro-acousto-optique à signal optique Ce dispositif associe un composant à onde acoustique de surface à base de ZnO/MgxZn1-xO, un laser à cascade quantique à base de ZnO/MgxZn1-xO ainsi qu’un photodétecteur à avalanche à base de ZnO/MgxZn1-xO. Cette association permet d’atteindre des niveaux supérieurs en matière de détection, Son principe repose sur l’interaction entre l’onde acoustique et l’onde optique entrainant le changement de l’indice de réfraction et donc le changement de son amplitude, de sa fréquence et de sa phase. Si une molécule se pose sur la surface du transducteur SAW la déviation n’est plus la même, un étalonnage est effectué et selon la longueur d’onde et/ou la fréquence obtenu nous pourrons avoir des informations sur la molécule à détecter.

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