De nouveaux matériaux améliorent l'intégration des laboratoires sur puce
Intégrées à des puces au silicium, des nanoantennes peuvent être utilisées pour identifier la présence de molécules spécifiques dans le cadre de diagnostics médicaux, de la détection d'explosifs ou de l'identification de substances polluantes dans l'environnement. Chaque molécule possède son propre ensemble caractéristique de fréquences de vibration, une véritable «empreinte digitale» pouvant être détectée en éclairant une substance avec de la lumière infrarouge. À l'échelle nanométrique, des objets en métal se comportent comme des antennes qui capturent et concentrent la lumière afin d'amplifier le signal produit par de très petites quantités de molécules. Actuellement, ces antennes microscopiques sont constituées de métaux, l'or étant le plus souvent utilisé du fait de ses excellentes propriétés conductrices. Dans le cadre du projet GEMINI (Germanium mid-Infrared Plasmonics for Sensing), des scientifiques financés par l'UE ont cherché à utiliser de nouveaux matériaux tels que le germanium, un voisin du silicium dans la table périodique, afin de remplacer l'or pour la détection infrarouge. Le consortium comprenait l'École polytechnique de Milan et l'Université Sapienza de Rome en Italie, l'Université de Glasgow au Royaume-Uni et l'Université de Constance en Allemagne. «Le germanium est un semi-conducteur totalement compatible avec les procédés de fabrication utilisés pour le silicium», déclare le coordinateur du projet Paolo Biagioni, professeur de physique associé à l'École polytechnique de Milan, qui est un expert en plasmonique, un domaine scientifique employant des métaux pour construire des nanoantennes captant la lumière. L'objectif ultime est d'intégrer dans des laboratoires sur puce ces dispositifs capables de détecter automatiquement des substances nocives. Malheureusement, les antennes métalliques ne sont pas compatibles avec les procédés de fabrication couramment utilisés pour le silicium. Il n'est donc pas possible de les intégrer complètement aux lignes de production des puces au silicium, ce qui assurerait de faibles coûts de production. Imiter le métal Cependant, si vous traitez un matériau semi-conducteur, comme le germanium, avec un procédé de dopage consistant à ajouter diverses espèces atomiques au matériau (dans notre cas, du phosphore), ce semi-conducteur pourra se comporter comme un métal aux fréquences optiques», déclare le professeur Biagioni. Si ce résultat est extrêmement difficile à atteindre pour la lumière visible, «grâce à notre projet, il est maintenant possible de faire croître des semi-conducteurs qui se comportent dans l'infrarouge comme des métaux», ajoute-t-il. Les tranches de silicium utilisées dans l'industrie microélectronique sont recouvertes d'un film fin de germanium 'dopé', puis des nanoantennes sont gravées dans la couche de germanium. «En ce qui concerne le germanium, nous avons atteint des niveaux de dopage record, ce qui fait que nous pouvons dire avec certitude qu'il s'agit d'une alternative viable aux métaux pour la fabrication d'antennes infrarouges», ajoute-t-il. Une utilisation pour la détection La détection dans l'infrarouge peut cibler des gaz présents dans l'atmosphère ou des analytes dans une solution, avec une forte spécificité moléculaire. Alors que le projet GEMINI a essentiellement mené une activité de recherche fondamentale, et qu'il n'était pas destiné à produire des dispositifs de détection spécifiques, l'équipe s'est néanmoins intéressée à deux applications possibles: la détection de simulants d'explosif sous forme liquide et la détection de chaînes d'ADN dans une solution. En ce qui concerne les explosifs, l'équipe a atteint la phase de validation de principe. «Dans le cas de la détection de l'ADN, la lumière infrarouge permet de distinguer divers types de souches d'ADN. Par exemple, il y a des ADN monobrin et d'autres à double brin et vous devez détecter la concentration relative de chacun de ces ADN», constate-t-il. Ces avancées pourraient avoir des implications très intéressantes pour les diagnostics médicaux sur puce et la détection de certains polluants environnementaux.
Mots‑clés
GEMINI, capteurs, nanotechnologies, diagnostics, environnement, micropuce, santé
