Search

One of the main challenges in terms of public health is the prevention of bacterial contamination by rapid, highly sensitive and specific detection techniques. The development of highly sensitive bacterial sensors for the detection of Escherichia coli based on silicon nanowire arrays was carried out in this work. The interest of these nano-objects lies in a large contact surface allowing potentially important interactions with bacteria. Their presence induces a change in electrical interaction across the silicon nanowire array and forms the basis for the development of silicon nanowire-based electrical resistors acting as bacteria sensors. The high specificity of these sensors is ensured by the chemical functionalisation of the nanowires allowing the binding of specific antibodies (anti-LPS) to target E. coli. The sensor developed in this work is an electrical resistor whose electrodes are electrically interconnected by a dense network of silicon nanowires. These nanowires are synthesised by the Solid Liquid Vapour process directly on the highly doped polycrystalline silicon electrodes, using gold as catalyst and silane as precursor gas. Their functionalization is achieved by the deposition of two chemical layers APTES and glutaraldehyde for specific detection of E. coli bacteria. The detection of the bacteria is obtained by measuring the current through the sensor. The analysis of the results is supported by fluorescence analysis. In this work, the feasibility of detection for different concentrations of E. coli is demonstrated. The electrical measurements allowed linear detection of bacterial concentrations in the range 102-108 CFU/mL with a high sensitivity of 83 µA per CFU/mL decade and specific detection. The results reported in this study show the proof of concept of a silicon nanowire-based sensor for direct and specific detection of E. coli by electrical measurements. This biosensor device has thus demonstrated its great potential as an alternative tool for future applications, for miniaturisable and low-cost real-time bacterial detection, compatible with conventional silicon technology.; L'un des principaux défis de la santé publique est la prévention de la contamination bactérienne par des techniques de détection rapides, hautement sensibles et spécifiques. L'un des principaux défis de la santé publique est la prévention de la contamination bactérienne par des techniques de détection rapides, très sensibles et spécifiques. Le développement de de capteurs bactériens très sensibles pour la détection d'Escherichia coli basés sur des réseaux de nanofils a été réalisé dans ce travail. L'intérêt de ces nano-objets réside dans une grande surface de contact permettant des interactions potentiellement importantes avec les bactéries. L'intérêt de ces nano-objets réside dans une grande surface de contact permettant des interactions potentiellement importantes avec les bactéries. Leur présence induit une modification de l'interaction électrique à travers le réseau de nanofils de silicium et constitue la base du développement de systèmes de nanofils de silicium. pour le développement de résistances électriques basées sur des nanofils de silicium agissant comme des capteurs de bactéries. La haute spécificité de ces capteurs est assurée par la fonctionnalisation chimique des nanofils, qui permet la liaison de molécules spécifiques. Ceci permet la liaison d'anticorps spécifiques (anti-LPS) pour cibler E. coli.Le capteur développé dans ce travail est une résistance électrique dont les électrodes sont électriquement interconnectées par un réseau dense de nanofils de silicium. Ces nanofils sont synthétisés par le procédé Solid Liquid Vapour directement sur les électrodes de silicium polycristallin fortement dopées, en utilisant l'or comme catalyseur et le silane comme gaz précurseur. Leur fonctionnalisation est réalisée par le dépôt de deux couches chimiques APTES et glutaraldéhyde pour la détection spécifique des bactéries E. coli. . La détection de la bactérie est obtenue par la mesure du courant traversant le capteur. L'analyse des résultats est soutenue par une analyse de fluorescence. Dans ce travail, la faisabilité de la détection pour différentes concentrations d'E. coli est démontrée. Les mesures électriques ont permis une détection linéaire des concentrations bactériennes dans la gamme 102-108 CFU/mL avec une sensibilité élevée de 83 µA par décennie de CFU/mL et une détection spécifique. Les résultats rapportés dans cette étude montrent la preuve de concept d'un capteur à base de nanofils de silicium pour la détection directe et spécifique d'E. coli par des mesures électriques. Ce dispositif biocapteur a ainsi démontré son grand potentiel en tant qu'outil alternatif pour de futures applications, pour détection bactérienne en temps réel, miniaturisable et à faible coût, compatible avec la technologie conventionnelle du silicium

Silicon nanowires have already demonstrated their excellent performances as electrode materials for lithium-ion batteries. Silicon allows to drastically increase the energy density, and its nanostructuration as wires solves part of the associated problems. During the lithiation, silicon swells up to four times its volume, which drives to irreversible losses in the electrochemical cell. Nanostructuration limits the cracking of the particles, and the unidimensional form guarantees cohesiveness and a good connection of the material.Synthesis methods associated to these materials remain costly, and a commercialization in Li-ion batteries seems complicated. A recent innovative synthesis method developed and patented in SyMMES laboratory in 2015 is the starting point of this PhD project. By growing silicon nanowires as a powder, it allows to use them directly in the electrode ink of the electrochemical cell. The growth takes place in a closed reactor, containing powder as a support (sometimes sacrificial), a catalyst and the silicon source (often an oil of diphenylsilane, easy to handle at the lab scale).This method is worked and optimized in order to answer the challenges of lithium-ion batteries ; electrodes stability, energy density increase, and power issues. The synthesis is worked to vary the nanowires diameter, and the implications in electrochemistry are discussed. Likewise, two different catalyst are used for the growth of silicon nanowires. Here again, the consequences in electrochemical cells are discussed. Improvement of the electrochemical performances was achieved thanks to the fabrication of silicon-graphite composite, by introducing graphite directly in the synthesis reactor, allowing to grow the composite one-pot. The material is finely characterized, and the implications on the nano- and micro-structures of these composites are studied by small angle and wide-angle X-ray scattering (SAXS-WAXS), operando under the synchrotron beamline.; Les nanofils de silicium ont déjà démontré leurs excellentes performances en tant que matériaux d’électrode pour les batteries lithium-ion : le silicium permet d’augmenter significativement la densité d’énergie, et sa nanostructuration sous forme de fils résout une partie des problèmes qui lui sont associés ; lors de sa lithiation, le silicium gonfle jusqu’à environ quatre fois son volume, ce qui conduit à des pertes irréversibles dans l’accumulateur électrochimique. La nanostructuration limite les phénomènes de craquèlement des particules, et la forme unidimensionnelle permet de maintenir une bonne cohésion et connexion du matériau.Les méthodes de synthèse associées à ces matériaux restent coûteuses, et rendent difficilement envisageable une utilisation dans des batteries commerciales. Cette thèse s’appuie sur une méthode de synthèse innovante développée et brevetée au laboratoire SyMMES de Grenoble, en 2015. Elle permet de faire croître des nanofils de silicium en poudre, facilitant ainsi leur intégration dans les cellules électrochimiques. Elle s’appuie sur la croissance dans un réacteur fermé, contenant une poudre support (parfois sacrificielle), le catalyseur et la source de silicium (le plus souvent une huile de diphénylsilane, facilement manipulable en laboratoire).Cette méthode est travaillée et optimisée afin de répondre aux enjeux des batteries lithium-ion ; stabilité des électrodes, augmentation de la densité d’énergie, et problématiques de puissance. La synthèse est étudiée afin de faire varier le diamètre des nanofils, et les implications en électrochimie sont discutées. De même, deux catalyseurs différents sont employés pour la croissance des nanofils de silicium. Là encore, les conséquences sont discutées en cellule électrochimique. Un net progrès des performances électrochimiques a été atteint grâce à l’introduction de graphite dans la croissance, ce qui a permis de synthétiser un nanocomposite Si/C innovant en one-pot. Le matériau résultant est finement caractérisé, et les répercussions des nano- et microstructures de ces composites sont étudiées par diffusion des rayons X aux petits et grands angles, operando au synchrotron.

Silicon is a promising anode material to increase the capacity of Li-ion battery. Unfortunately, it undergoes huge volume variations upon cycling, leading to fast capacity decay of the electrode. One of the keys to overcome this issue is to use silicon nanowires (SiNWs), synthesized by chemical vapor deposition, which have the ability to better accommodate the volume changes. The thesis presented here aims at studying the electrochemical performances of such electrodes and the possible improvement in the perspective of a use in a Li-ion battery. First of all, analysis by nuclear magnetic resonance (NMR), electron energy loss spectroscopy and electronic tomography were performed along the first cycle in order to study lithium insertion and extraction in this material. Different strategies were then addressed to reach a better cycle life, and ex-situ analysis by electron microscopy and NMR allowed a better understanding of the electrode ageing, by notably pointing out the continuous electrolyte degradation. This is at the origin of irreversible lithium consumption which is not compatible with a cycling in a full Li-ion cell. The silicon electrode prelithiation appears as a promising way to overcome this issue. Another important barrier for the elaboration of full Li-ion batteries with high energy density is the low surfacic capacity of SiNWs electrodes. New electrodes based on a silicon nano-tree structure were then synthesized to reach higher silicon loading and allowed to increase the surfacic capacity of the electrodes by a factor 6. Hence, this work gives new insights for the elaboration of high energy density Li-ion battery using a nanostructured silicon anode., Le silicium est un matériau d’électrode prometteur pour augmenter la capacité de stockage des batteries Li-ion. Il subit malheureusement d’importantes variations de volume lors du cyclage qui diminuent la durée de vie des électrodes. Une des clés pour remédier à ce problème est l’utilisation de nanofils de silicium, synthétisés par dépôt chimique en phase vapeur, pouvant accommoder plus facilement ces variations de volume. La thèse présentée ici s’attache à étudier les performances de ce nouveau type d’électrode et les possibilités d’amélioration en vue d’une utilisation en batterie Li-ion. Dans un premier temps, des analyses par résonance magnétique nucléaire (RMN), spectroscopie de perte d’énergie des électrons et tomographie électronique ont été effectuées à différents stades du premier cycle afin d’étudier l’insertion et l’extraction du lithium dans ce matériau. Différentes stratégies de cyclage ont ensuite été abordées pour augmenter la durée de vie. Des analyses ex-situ d’électrodes par microscopie électronique et RMN ont alors permis de mieux comprendre le vieillissement, mettant notamment en évidence la dégradation continue de l’électrolyte sur le silicium qui est à l’origine d’une consommation irréversible de lithium. La prélithiation des électrodes apparaît comme une voie prometteuse pour remédier à ce problème. Enfin, de nouvelles structures plus denses à base de nano-arbres de silicium ont été synthétisées et ont permis de multiplier par plus d’un facteur 6 la capacité surfacique. Ce travail ouvre ainsi des perspectives intéressantes pour l’élaboration de cellules lithium-ion complètes de grande densité d’énergie utilisant une anode de silicium nanostructurée.

Silicon is a promising anode material to increase the capacity of Li-ion battery. Unfortunately, it undergoes huge volume variations upon cycling, leading to fast capacity decay of the electrode. One of the keys to overcome this issue is to use silicon nanowires (SiNWs), synthesized by chemical vapor deposition, which have the ability to better accommodate the volume changes. The thesis presented here aims at studying the electrochemical performances of such electrodes and the possible improvement in the perspective of a use in a Li-ion battery. First of all, analysis by nuclear magnetic resonance (NMR), electron energy loss spectroscopy and electronic tomography were performed along the first cycle in order to study lithium insertion and extraction in this material. Different strategies were then addressed to reach a better cycle life, and ex-situ analysis by electron microscopy and NMR allowed a better understanding of the electrode ageing, by notably pointing out the continuous electrolyte degradation. This is at the origin of irreversible lithium consumption which is not compatible with a cycling in a full Li-ion cell. The silicon electrode prelithiation appears as a promising way to overcome this issue. Another important barrier for the elaboration of full Li-ion batteries with high energy density is the low surfacic capacity of SiNWs electrodes. New electrodes based on a silicon nano-tree structure were then synthesized to reach higher silicon loading and allowed to increase the surfacic capacity of the electrodes by a factor 6. Hence, this work gives new insights for the elaboration of high energy density Li-ion battery using a nanostructured silicon anode.; Le silicium est un matériau d’électrode prometteur pour augmenter la capacité de stockage des batteries Li-ion. Il subit malheureusement d’importantes variations de volume lors du cyclage qui diminuent la durée de vie des électrodes. Une des clés pour remédier à ce problème est l’utilisation de nanofils de silicium, synthétisés par dépôt chimique en phase vapeur, pouvant accommoder plus facilement ces variations de volume. La thèse présentée ici s’attache à étudier les performances de ce nouveau type d’électrode et les possibilités d’amélioration en vue d’une utilisation en batterie Li-ion. Dans un premier temps, des analyses par résonance magnétique nucléaire (RMN), spectroscopie de perte d’énergie des électrons et tomographie électronique ont été effectuées à différents stades du premier cycle afin d’étudier l’insertion et l’extraction du lithium dans ce matériau. Différentes stratégies de cyclage ont ensuite été abordées pour augmenter la durée de vie. Des analyses ex-situ d’électrodes par microscopie électronique et RMN ont alors permis de mieux comprendre le vieillissement, mettant notamment en évidence la dégradation continue de l’électrolyte sur le silicium qui est à l’origine d’une consommation irréversible de lithium. La prélithiation des électrodes apparaît comme une voie prometteuse pour remédier à ce problème. Enfin, de nouvelles structures plus denses à base de nano-arbres de silicium ont été synthétisées et ont permis de multiplier par plus d’un facteur 6 la capacité surfacique. Ce travail ouvre ainsi des perspectives intéressantes pour l’élaboration de cellules lithium-ion complètes de grande densité d’énergie utilisant une anode de silicium nanostructurée.

A "nanonet", acronym for "NANOstructured NETwork", is defined as a network of one-dimensional nanostructures with high aspect ratio and randomly oriented on a substrate. In this work, a comprehensive study of nanonets based on silicon nanowires is presented for integration into DNA sensors. First, a simple method for the network fabrication has been developed in order to obtain homogeneous and reproducible nanonets. Then, the nanowire surface has been functionalized, so that the DNA hybridization detection is possible by fluorescence. The elaborated sensors exhibit excellent selectivity and a better sensitivity limit than planar substrates. The electrical properties of the silicon nanonets have also been investigated which resulted in the description of the conduction mechanisms of these networks. It has been shown that the electrical behaviour of such structures is ruled by the numerous nanowire-nanowire junctions and follows the electrical percolation theory. Moreover, an optimization procedure of these junctions has allowed stabilizing the electrical properties of silicon nanonets.Therefore, these networks have attractive characteristics which arise from the individual components, the nanowires with a high specific surface, but also from the structural properties of the network itself which can be simply manipulated, at a low cost, on macroscopic scales. This work paves the way for the integration of silicon nanonets into DNA sensors based on electrical detection., Un « Nanonet », acronyme pour « NANOstructured NETwork », est défini comme un réseau de nanostructures unidimensionnelles à fort facteur de forme et aléatoirement orientées sur un substrat. Dans ce travail de thèse, une étude approfondie de nanonets à base de nanofils de silicium est présentée en vue d'une intégration dans des capteurs d'ADN. Une méthode de fabrication simple de ces réseaux a tout été d'abord développée afin d'obtenir des nanonets homogènes et reproductibles. La surface des nanofils a ensuite été fonctionnalisée afin de permettre la détection de l'hybridation de l'ADN par fluorescence. Les capteurs ainsi réalisés présentent une excellente sélectivité et une meilleure limite de sensibilité que des substrats plans. Les propriétés électriques des nanonets de silicium ont également été étudiées ce qui a mené à la description des mécanismes de conduction de ces réseaux. Ainsi, il a été démontré que le comportement électrique de ces structures est dominé par les nombreuses jonctions nanofil-nanofil et suit la théorie de la percolation électrique. De plus, une procédure d'optimisation de ces jonctions a finalement permis de stabiliser les propriétés électriques des nanonets de silicium.Ces réseaux possèdent donc des propriétés remarquables provenant des constituants individuels, les nanofils, qui présentent une surface spécifique élevée, mais également de leur structure en réseaux aléatoires offrant la possibilité de les manipuler simplement et à bas coût à l'échelle macroscopique. Ces travaux ouvrent la voie à l'intégration des nanonets de silicium dans des capteurs d'ADN reposant sur la détection électrique.

L’objectif de ce travail de recherche est la réalisation de dispositifs à base de nanofils de silicium, réalisés par la méthode des espaceurs. La synthèse des nanofils est effectuée à partir d’une couche de silicium polycristallin, déposée par la technique LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). Ces nanofils sont ensuite intégrés dans les dispositifs électroniques tels que des résistances ou des transistors réalisés suivant deux configurations différentes « bottom-gate » et « step-gate ». Les caractéristiques électriques de ces deux types de transistors ont mis en évidence des propriétés électriques suffisantes pour leur utilisation en tant que capteurs. Une simulation permet d'expliquer l’effet de l’apport de charges électriques à la surface des nanofils sur la concentration d'électrons dans la couche active. Les dispositifs sont tout d’abord utilisés pour la mesure du pH, et montrent une sensibilité de détection supérieure à la sensibilité nernstienne. Pour une utilisation du dispositif en tant que biocapteur, une fonctionnalisation de la surface des nanofils est nécessaire pour permettre l'accrochage de sondes d'ADN. La détection électronique de l'hybridation sondes/cibles de brins d'ADN complémentaires est démontrée avec un faible seuil de détection. Enfin, afin d'augmenter la surface d'échange entre le nanofil et les espèces chargées, un procédé de fabrication de résistances à base de nanofils suspendus est développé. Des tests de détection en présence d'ammoniac ont mis en évidence une réponse linéaire sur une gamme de concentrations. Les résistances à base de nanofils suspendus présentent une plus grande sensibilité que celles à base de nanofils non suspendus, mettant en avant l'effet important de la surface des nanofils. Tous ces résultats permettent de démontrer la faisabilité de capteurs chimiques et biologiques à base de nanofils de silicium à partir des techniques conventionnelles de la microélectronique en utilisant un procédé de fabrication « bas-coût ». nanofils de silicium, fonctionnalisation de surface, capteur chimique, biocapteur., The goal of this research work is the realization of devices based on silicon nanowires, realized using sidewall spacer formation technique. Nanowires are synthesized form a polycrystalline silicon layer deposited by LPCVD technique (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). These nanowires are then integrated into electronic devices such as resistors and transistors made using two different configurations “bottom-gate” and “step-gate”. The electrical characteristics of these two types of transistors have shown adequate electrical properties for their use as sensors. A simulation is made, to explain how additional electrical charges on the surface of the nanowires, affect the electron concentration inside the active layer. The devices are firstly used for the pH measurement, and have shown sensitivity higher than the Nernstian sensitivity detection. For a use as biosensor, nanowires are functionnalized to allow the binding of DNA probes. Electronic detection of hybridization complementary probe/target DNA strands is demonstrated with a low detection limit. Finally, in order to increase the exchange surface between the nanowires and charged species, resistors based on suspended nanowires were developed. Different tests were performed in the presence of ammonia and showed a linear response over a range of concentrations. Resistors based on suspended nanowires highlighted greater sensitivity than those based on unsuspended nanowires, bringing out the important effect of the surface of the nanowires. All these results demonstrate the feasibility of chemical and biological sensors based on silicon nanowires compatible with conventional microelectronics techniques using a low-cost process.

This research work dealed with the fabrication and the study of the electric behavior of silicon nanowires synthesized by spacer formation technique for integration into electronic devices. The technological process of these silicon nanowires was developed then optimized. These nanowires were elaborated from a polycrystalline silicon layer deposited by LPCVD technique (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) and N type in-situ doped (from phosphorus). The control of the doping is demonstrated for a range varying from 2. 1016 to 2. 1020 at. Cm-3. The electrical properties of the silicon nanowires were studied in function of the temperature and the doping. Electrical characterizations were performed on nanowires presenting two different curvature radiuses (section) (50 nm and 100 nm). Results highlighted that the electrical conduction obeys to the model of carriers trapping described by Seto for temperatures > 60°C for nanowires with a curvature radius of 100 nm. In the case of nanowires with a curvature radius of 50 nm, the electrical behavior can be described by a mixed conduction combining Seto’s model and Mott’s model (hopping conduction) probably associated with a relative more important contribution of the defects in volume. The possibility of integration of these nanowires was demonstrated by the fabrication of devices (resistor, TFT). Results highlighted that nanowires could be used as sensitive elements in the detection of chemical species charged in ambient environment. New technological process of silicon nanowires synthesis by optical lithography are also presented.; Ce travail de recherche a porté sur la réalisation et l’étude du comportement électrique de nanofils de silicium, obtenus par la méthode des espaceurs pour être intégrés dans les dispositifs électroniques. Le procédé de fabrication de ces nanofils a été développé puis optimisé. Ces derniers ont été élaborés à partir d’une couche de silicium polycristallin déposé par procédé LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) et dopé in-situ de type N (à partir de phosphore). Le contrôle du dopage est démontré pour une gamme comprise entre 2. 1016 et 2. 1020 at. Cm-3. Les propriétés électriques des nanofils ont été étudiées en fonction de la température et du dopage. Des caractérisations électriques effectuées sur des nanofils présentant deux rayons de courbure (section) différents (50 nm et 100 nm), ont mis en évidence que la conduction électrique obéit au modèle de piégeage des porteurs décrit par Seto pour des températures supérieures à 60°C dans les nanofils avec un rayon de courbure de 100 nm. Dans le cas des nanofils avec un rayon de courbure de 50 nm, le comportement électrique peut être décrit par une conduction mixte associant le modèle de Seto et le modèle de Mott (conduction par sauts) probablement associée à une contribution relative des défauts en volume plus importante. La possibilité d’intégration de ces nanofils a été démontrée par la réalisation de composants (résistances, TFT). Les résultats ont mis en évidence des potentialités d’utilisation des nanofils comme éléments sensibles dans la détection d’espèces chargées en milieu ambiant. Des évolutions technologiques dans les procédés de fabrication des nanofils par lithographie optique UV sont aussi présentées.

This research work dealed with the fabrication and the study of the electric behavior of silicon nanowires synthesized by spacer formation technique for integration into electronic devices. The technological process of these silicon nanowires was developed then optimized. These nanowires were elaborated from a polycrystalline silicon layer deposited by LPCVD technique (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) and N type in-situ doped (from phosphorus). The control of the doping is demonstrated for a range varying from 2. 1016 to 2. 1020 at. Cm-3. The electrical properties of the silicon nanowires were studied in function of the temperature and the doping. Electrical characterizations were performed on nanowires presenting two different curvature radiuses (section) (50 nm and 100 nm). Results highlighted that the electrical conduction obeys to the model of carriers trapping described by Seto for temperatures > 60°C for nanowires with a curvature radius of 100 nm. In the case of nanowires with a curvature radius of 50 nm, the electrical behavior can be described by a mixed conduction combining Seto’s model and Mott’s model (hopping conduction) probably associated with a relative more important contribution of the defects in volume. The possibility of integration of these nanowires was demonstrated by the fabrication of devices (resistor, TFT). Results highlighted that nanowires could be used as sensitive elements in the detection of chemical species charged in ambient environment. New technological process of silicon nanowires synthesis by optical lithography are also presented.; Ce travail de recherche a porté sur la réalisation et l’étude du comportement électrique de nanofils de silicium, obtenus par la méthode des espaceurs pour être intégrés dans les dispositifs électroniques. Le procédé de fabrication de ces nanofils a été développé puis optimisé. Ces derniers ont été élaborés à partir d’une couche de silicium polycristallin déposé par procédé LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) et dopé in-situ de type N (à partir de phosphore). Le contrôle du dopage est démontré pour une gamme comprise entre 2. 1016 et 2. 1020 at. Cm-3. Les propriétés électriques des nanofils ont été étudiées en fonction de la température et du dopage. Des caractérisations électriques effectuées sur des nanofils présentant deux rayons de courbure (section) différents (50 nm et 100 nm), ont mis en évidence que la conduction électrique obéit au modèle de piégeage des porteurs décrit par Seto pour des températures supérieures à 60°C dans les nanofils avec un rayon de courbure de 100 nm. Dans le cas des nanofils avec un rayon de courbure de 50 nm, le comportement électrique peut être décrit par une conduction mixte associant le modèle de Seto et le modèle de Mott (conduction par sauts) probablement associée à une contribution relative des défauts en volume plus importante. La possibilité d’intégration de ces nanofils a été démontrée par la réalisation de composants (résistances, TFT). Les résultats ont mis en évidence des potentialités d’utilisation des nanofils comme éléments sensibles dans la détection d’espèces chargées en milieu ambiant. Des évolutions technologiques dans les procédés de fabrication des nanofils par lithographie optique UV sont aussi présentées.

This work deals with the fabrication of an inorganic silicon nanowires substrate dedicated to the sensitive detection of biomolecules by laser desorption/ionisation mass spectrometry (LDI-MS). This technique, in contrast to the matrix-assisted LDI mass spectrometry (MALDI), allows low mass molecules' (

This work deals with the fabrication of an inorganic silicon nanowires substrate dedicated to the sensitive detection of biomolecules by laser desorption/ionisation mass spectrometry (LDI-MS). This technique, in contrast to the matrix-assisted LDI mass spectrometry (MALDI), allows low mass molecules' (, Ce travail porte sur la fabrication d'un support inorganique de nanofils de silicium dédié à la détection sensible de biomolécules par désorption/ionisation laser (LDI) en spectrométrie de masse (MS). Cette technique, contrairement à l'analyse LDI assistée par matrice (MALDI), permet de s'affranchir des ions parasites de la matrice organique qui interfèrent avec les molécules de masses inférieures à 700 Da. La littérature fait état de la difficulté à déterminer les paramètres liés à la performance de la technique : nous avons varié la morphologie, la composition, la chimie de surface des nanofils de silicium et nous avons discuté de l'importance des propriétés optiques et thermiques, de la mouillabilité de surface et de l'accessibilité des molécules au faisceau laser. Le support de nanofils optimal montre une haute sensibilité de détection des molécules de petites masses (50 fois supérieure au MALDI), il s'adapte à des analyses protéomiques et nous a permis d'instaurer un contrôle complémentaire au suivi de la réaction de méthylation pour la conception d'une biopuce à peptides. Nous avons finalement travaillé sur l'intégration de ce support dans un laboratoire sur puce. Une goutte d'1 µL d'un mélange de peptide (50.10-15M) a été déplacée par microfluidique discrète (électromouillage sur diélectrique) puis analysée avec succès par LDIMS. Finalement, nous avons développé une méthode originale combinant la chimie et la topographie de surface des nanofils de silicium à des techniques de lithographie optique : des zones de différentes tensions de surface liquide/solide sont ainsi créées et sont favorables à l'adhésion localisée de protéines, de cellules et de bactéries.

This thesis work deals with the study of transport properties, of both charge and spin, in silicon-based microstructures and nanostructures.We have studied the fabrication process of connected low section (100 x 8 nm2) silicon nanowires (SiNWs) using atomic force microscope (AFM) lithography on thinned silicon on insulator (SOI) samples. Electrical measurements highlighted typical Field Effect Transistor (FET) behaviour of these SiNWs. Electron trapping in oxide or at interfaces is responsible of the cumulative depletion of the wires during the successive I(V) measurements. Electron release is obtained by application of a voltage on the wire gate. So the wires exhibited a memory effect in which the writing / reading process occurs by electron trapping / de-trapping controlled by application of a positive / negative voltage on the device gate.Furthermore, we studied the spin transport in a silicon substrate. Numerical evaluation of spin transport in drift-diffusive regime reveals spin diffusion and spin precession lengths of several microns, under a weak external magnetic field. Such dimensions are compatible with present technology of ICs. Electrical measurements carried out on a magnetic memory integrated on silicon (MEMIS), specially designed for this study, showed electron injection and collection efficiency. However, no magnetoresistance was detected probably due to the low quality of interfaces in the hybrid heterojunctions ferromagnetic metal/insulator/silicon (FMIS). Thus, we proposed to test extra FMIS structures such as Co/AlO(~1 nm)/Si and Co/MgO(~1 nm) /Si, fabricated with less thermal treatments. The direct tunnelling transport in oxide was obtained in these junctions, which would allow spin injection coherence in prospective spin devices.Finally, we have characterized rectifying junctions Ferromagnetic semiconductor/semiconductor (MSS) such as Ge3Mn5/Ge which seem to be particularly suitable for spin injection.; L'étude porte sur le transport, électronique et de spin, dans des microstructures et nanostructures à base de silicium, le matériau phare de l'industrie microélectronique.Nous avons étudié un procédé de lithographie assistée par microscope à force atomique (AFM) pour fabriquer des nanofils sub-100-nm ultraminces (8 à 15 nm) de silicium, connectés à une structure de test sur silicium sur isolant (SOI). Les mesures électriques ont mis en évidence le comportement de transistor à effet de champ (FET) des nanocircuits. Le piégeage des électrons aux défauts d'interfaces et de l'oxyde, est la cause de la déplétion cumulative des fils ultraminces au cours des mesures successives I(V). Le dépiégeage peut être contrôlé par application d'une tension sur la grille du nanofil. Les fils ont ainsi révélé un effet mémoire (écriture/lecture par piégeage/dépiégeage sous tension de grille positive/négative).Nous avons par ailleurs étudié le transport du spin dans un canal de silicium. L'étude théorique a souligné la possibilité d'utiliser un faible champ magnétique pour manipuler le spin en obtenant des longueurs de précession et de diffusion de spin micrométriques, compatibles avec la technologie actuelle. L'injection et la collecte électriques ont été réalisées dans un dispositif mémoire magnétique intégrée sur silicium (MEMIS), similaire à un SpinFET. Néanmoins, la qualité des jonctions hybrides métal ferromagnétique/isolant/silicium (FMIS) conditionnent l'efficacité d'injection et de collecte du spin et de l'effet de magnétorésistance ; dans ce sens, nous avons exploré quelques techniques d'élaboration de jonctions Co/AlO/Si et Co/MgO/Si avec des oxydes minces de l'ordre du nanomètre. Nous avons obtenu des jonctions FMIS avec une injection électrique par tunnel direct, ce qui présente une piste prometteuse pour l'injection cohérente du spin. Nous avons également caractérisé des jonctions redresseur semiconducteur ferromagnétique /semiconducteur (MSS) du type Ge3Mn5/Ge qui se sont avérées très intéressantes pour l'injection du spin.

This thesis work deals with the study of transport properties, of both charge and spin, in silicon-based microstructures and nanostructures.We have studied the fabrication process of connected low section (100 x 8 nm2) silicon nanowires (SiNWs) using atomic force microscope (AFM) lithography on thinned silicon on insulator (SOI) samples. Electrical measurements highlighted typical Field Effect Transistor (FET) behaviour of these SiNWs. Electron trapping in oxide or at interfaces is responsible of the cumulative depletion of the wires during the successive I(V) measurements. Electron release is obtained by application of a voltage on the wire gate. So the wires exhibited a memory effect in which the writing / reading process occurs by electron trapping / de-trapping controlled by application of a positive / negative voltage on the device gate.Furthermore, we studied the spin transport in a silicon substrate. Numerical evaluation of spin transport in drift-diffusive regime reveals spin diffusion and spin precession lengths of several microns, under a weak external magnetic field. Such dimensions are compatible with present technology of ICs. Electrical measurements carried out on a magnetic memory integrated on silicon (MEMIS), specially designed for this study, showed electron injection and collection efficiency. However, no magnetoresistance was detected probably due to the low quality of interfaces in the hybrid heterojunctions ferromagnetic metal/insulator/silicon (FMIS). Thus, we proposed to test extra FMIS structures such as Co/AlO(~1 nm)/Si and Co/MgO(~1 nm) /Si, fabricated with less thermal treatments. The direct tunnelling transport in oxide was obtained in these junctions, which would allow spin injection coherence in prospective spin devices.Finally, we have characterized rectifying junctions Ferromagnetic semiconductor/semiconductor (MSS) such as Ge3Mn5/Ge which seem to be particularly suitable for spin injection.; L'étude porte sur le transport, électronique et de spin, dans des microstructures et nanostructures à base de silicium, le matériau phare de l'industrie microélectronique.Nous avons étudié un procédé de lithographie assistée par microscope à force atomique (AFM) pour fabriquer des nanofils sub-100-nm ultraminces (8 à 15 nm) de silicium, connectés à une structure de test sur silicium sur isolant (SOI). Les mesures électriques ont mis en évidence le comportement de transistor à effet de champ (FET) des nanocircuits. Le piégeage des électrons aux défauts d'interfaces et de l'oxyde, est la cause de la déplétion cumulative des fils ultraminces au cours des mesures successives I(V). Le dépiégeage peut être contrôlé par application d'une tension sur la grille du nanofil. Les fils ont ainsi révélé un effet mémoire (écriture/lecture par piégeage/dépiégeage sous tension de grille positive/négative).Nous avons par ailleurs étudié le transport du spin dans un canal de silicium. L'étude théorique a souligné la possibilité d'utiliser un faible champ magnétique pour manipuler le spin en obtenant des longueurs de précession et de diffusion de spin micrométriques, compatibles avec la technologie actuelle. L'injection et la collecte électriques ont été réalisées dans un dispositif mémoire magnétique intégrée sur silicium (MEMIS), similaire à un SpinFET. Néanmoins, la qualité des jonctions hybrides métal ferromagnétique/isolant/silicium (FMIS) conditionnent l'efficacité d'injection et de collecte du spin et de l'effet de magnétorésistance ; dans ce sens, nous avons exploré quelques techniques d'élaboration de jonctions Co/AlO/Si et Co/MgO/Si avec des oxydes minces de l'ordre du nanomètre. Nous avons obtenu des jonctions FMIS avec une injection électrique par tunnel direct, ce qui présente une piste prometteuse pour l'injection cohérente du spin. Nous avons également caractérisé des jonctions redresseur semiconducteur ferromagnétique /semiconducteur (MSS) du type Ge3Mn5/Ge qui se sont avérées très intéressantes pour l'injection du spin.

Among nanometric size objects, nanowires (NWs) are probably the most interestingsince they can be either integrated as key element of a device or used as simple electrodes toaddress another nano-element. This study present two different fabrication processes ofmetallic or silicon NWs.The first technique concerns the direct writing of gold NWs on a silicon surface byatom transfer from a gold coated platinum STM tip, when voltage pulses of few voltsamplitude are applied to the surface. 15 nm wide and 3 nm high gold NWs were obtainedusing this process.The second part of this work deals with the Si NWs growth by the VLS (Vapor-Liquid-Solid) technique on a surface coated by small gold clusters catalysing the dissociationof gaseous silane (SiH4) molecules. Two different techniques of surface heating have beentested to force the horizontal growth of the Si NWs from a contact electrode. First, the surfacehas been locally heated by a tightly focused cw Ar+ laser beam, inducing a strong horizontalthermal gradient over a spot diameter of roughly 3μm. Finally SiNWs growth has beenstudied from sub-micrometric tungsten resistors, coated by a thin 2-nm thick gold layer andheated by Joule effect at high current densities.; Parmi les objets nanométriques les plus importants figurent les nanofils, qui peuventêtre utilisés soit comme coeur d'un dispositif, soit comme élément d'adressage d'un autrenano-objet. Cette thèse explore deux voies de fabrication de nanofils.La première concerne un procédé d'écriture directe de motifs d'or de dimensionnanométrique, par transfert d'atomes depuis une pointe STM vers la surface. Des lignes d'orde largeur 15 nm, d'épaisseur 3 nm et de longueur 300 nm ont pu être tracées sur une surfacede silicium.La seconde voie concerne un procédé de fabrication de nanofils de silicium (SiNWs)par décomposition thermique du silane (SiH4) sur une surface recouverte d'agrégats d'or, parla technique VLS (Vapor Liquid Solid). Deux moyens de chauffage ont été utilisés pourforcer la croissance horizontale des fils à partir d'une électrode prédéposée sur une surfaceisolante. Dans un premier temps, la surface a été chauffée sous l'impact d'un faisceau lasercontinu focalisé, pour induire localement un fort gradient thermique latéral sur une zone dediamètre 3 μm. Dans un second temps, la croissance des nanofils de Si a été forcée à partir delignes de tungstène sub-microniques chauffées par effet Joule, par passage d'un courant deforte densité.Les mécanismes de croissance sont discutés.

Among nanometric size objects, nanowires (NWs) are probably the most interestingsince they can be either integrated as key element of a device or used as simple electrodes toaddress another nano-element. This study present two different fabrication processes ofmetallic or silicon NWs.The first technique concerns the direct writing of gold NWs on a silicon surface byatom transfer from a gold coated platinum STM tip, when voltage pulses of few voltsamplitude are applied to the surface. 15 nm wide and 3 nm high gold NWs were obtainedusing this process.The second part of this work deals with the Si NWs growth by the VLS (Vapor-Liquid-Solid) technique on a surface coated by small gold clusters catalysing the dissociationof gaseous silane (SiH4) molecules. Two different techniques of surface heating have beentested to force the horizontal growth of the Si NWs from a contact electrode. First, the surfacehas been locally heated by a tightly focused cw Ar+ laser beam, inducing a strong horizontalthermal gradient over a spot diameter of roughly 3μm. Finally SiNWs growth has beenstudied from sub-micrometric tungsten resistors, coated by a thin 2-nm thick gold layer andheated by Joule effect at high current densities.; Parmi les objets nanométriques les plus importants figurent les nanofils, qui peuventêtre utilisés soit comme coeur d'un dispositif, soit comme élément d'adressage d'un autrenano-objet. Cette thèse explore deux voies de fabrication de nanofils.La première concerne un procédé d'écriture directe de motifs d'or de dimensionnanométrique, par transfert d'atomes depuis une pointe STM vers la surface. Des lignes d'orde largeur 15 nm, d'épaisseur 3 nm et de longueur 300 nm ont pu être tracées sur une surfacede silicium.La seconde voie concerne un procédé de fabrication de nanofils de silicium (SiNWs)par décomposition thermique du silane (SiH4) sur une surface recouverte d'agrégats d'or, parla technique VLS (Vapor Liquid Solid). Deux moyens de chauffage ont été utilisés pourforcer la croissance horizontale des fils à partir d'une électrode prédéposée sur une surfaceisolante. Dans un premier temps, la surface a été chauffée sous l'impact d'un faisceau lasercontinu focalisé, pour induire localement un fort gradient thermique latéral sur une zone dediamètre 3 μm. Dans un second temps, la croissance des nanofils de Si a été forcée à partir delignes de tungstène sub-microniques chauffées par effet Joule, par passage d'un courant deforte densité.Les mécanismes de croissance sont discutés.