Résonateurs à plasmon de surface à base de semi-conducteurs dégénérés pour les biocapteurs IR – SUPREME-B

Développer des résonateurs plasmoniques à base de semi-conducteurs très fortement dopés (SCD) dans l’infrarouge (autour de 10 µm) à l’aide des compétences en modélisation et caractérisations optiques en champ proche et en champ lointain du consortium (UM et UTT). Une augmentation du facteur d’exaltation du champ électromagnétique de quasiment un ordre de grandeur est attendue par rapport à l’état de l’art dans cette gamme de longueur d’onde selon la géométrie choisie.
- Croître de manière contrôlée des couches de SCD par épitaxie par jets moléculaires (UM).
- Réaliser les résonateurs plasmoniques à SCD via des techniques de lithographie optique, interférentielle et électronique et de gravure humide et/ou sèche (UM/UTT).
- Caractériser en champ proche et en champ lointain les résonateurs plasmoniques à SCD (UM/UTT).
- Fonctionnaliser la surface des résonateurs plasmoniques à SCD (SiKÉMIA), dans le but de les intégrer à un biocapteur sans marqueur (“label free”). Les récepteurs biologiques seront sélectionnés de manière à permettre d’une part la fonctionnalisation et la passivation de la surface semi-conductrice et d’autre part de limiter les phénomènes d’encrassement très présents dans le cas des surfaces d’Au (UM/Sikémia/UTT).

Les simulations de réseaux 1D en InAsSb dopé au Si sur GaSb sont terminées. Les structures optimales sont connues aussi bien pour sonder la variation de l’indice que la présence de molécules. Les simulations électromagnétiques paramétriques 3D ont permis d’identifier des géométries bidimensionnelles particulièrement intéressantes en termes d’exaltation de champ et de densité spatiale en régime « modes de gap ».
Les mesures en champ lointain devenues maintenant routinières confirment parfaitement les résultats obtenus en simulation.
Les mesures de champ proche ont donné des résultats qui nous permettent de mieux comprendre la physique de ces structures si particulières notamment lorsqu’on se rapproche de la fréquence plasma.
La gravure humide est parfaitement maîtrisée. Nous sommes capables d’amener les résonances plasmoniques dans n’importe quelle gamme spectrale au-delà de 9 µm. Nous pouvons jouer sur le niveau de dopage et la géométrie des résonateurs aussi bien pour des structures uni- que bidimensionnelles. Les techniques de lithographie interférentielle par laser sont particulièrement bien adaptées pour nos matériaux.
La fonctionnalisation de surfaces des nanostructures a été démontrée. Nous continuons à travailler sur la finalisation du protocole expérimental pour nous assurer de la reproductibilité du processus de fonctionnalisation des surfaces semi-conductrices (InAsSb, GaSb).
Plusieurs circuits micro-fluidiques ont été réalisés : des puits et un circuit complet. Ils sont opérationnels même s’ils restent rudimentaires. Nous avons mis en évidence les premiers résultats de SEIRA et de SPR. Ils sont extrêmement encourageants. Des coefficients d’exaltation supérieurs à 10^4 et des sensibilités SPR de l’ordre de 1000 nm/RIU ont été mesurés.

Finaliser les procédés technologiques de réalisation des structures bidimensionnelles. Le contrôle de la gravure sèche doit être amélioré pour densifier les structures et réduire encore leur dimension.
Exploiter plus efficacement l’effet de pointe pour améliorer le facteur d’exaltation du signal SEIRA.
Obtenir une cartographie plus précise du champ proche optique des nanostructures.
Fonctionnaliser les résonateurs plasmoniques avec le couple biotine-streptavidine le tout dans un circuit micro-fluidique.

“Direct measurement of the effective infrared dielectric response of highly doped semiconductor metamaterial” A. Al Mohtar, A. Bruyant, S. Blaize, T. Taliercio, L. Cerutti, M. Kazan, Nanotechnology 28, 125701 (2017)
«Fano-like resonances sustained by Si doped InAsSb plasmonic resonators integrated in GaSb matrix«, Thierry Taliercio, Vilianne NTsame Guilengui, Laurent Cerutti, Jean-Baptiste Rodriguez, Franziska Barho, Maria-José Milla Rodrigo, Fernando Gonzalez-Posada, Eric Tournié, Michael Niehle, and Achim Trampert, Optics Express 23 (23), 246763 (2015).
«All-semiconductor plasmonic gratings for biosensing applications in the mid-infrared spectral range«, Franziska B. Barho, Fernando Gonzalez-Posada, Maria-Jose Milla-Rodrigo, Mario Bomers, Laurent Cerutti, and Thierry Taliercio, Optics Express 24 (14), 16176 (2016).
«Localized Surface-Plasmon Resonance Frequency Tuning in Highly Doped InAsSb/GaSb 1- Dimensional Nanostructures.«, Maria-Jose Milla-Rodrigo, Franziska B. Barho, Fernando Gonzalez-Posada, Laurent Cerutti, Mario Bomers, Jean-Baptiste Rodriguez, Eric Tournié and Thierry Taliercio, Nanotechnology 27, 425501 (2016).
”Wavelength-scale light concentrator made by direct 3D laser writing of polymer metamaterials« , J. Moughames, S. Jradi, T.M. Chang, S. Akil, Y. Battie, A. En Naciri, Z. Herro, S. Guenneau, S. Enoch, L. Joly, J. Cousin and A. Bruyant, soumise à Scientific Report

Les techniques de détection de molécules basées sur l’utilisation de plasmon de surface (onde électromagnétique épinglée à l’interface métal/diélectrique) sont couramment utilisées en biologie. La plus communément employée depuis plus de 20 ans est la technique de SPR pour "surface plasmon resonance". Elle est basée sur le changement d’indice à la surface d’une fine couche métallique supportant un plasmon de surface. La lumière réfléchie par le métal est modulée par le liquide circulant à sa surface qui perturbe, par l’intermédiaire de la liaison d’analyte, le plasmon de surface. Ce dernier est extrêmement sensible à la variation d’indice. C’est une technique sensible et relativement éprouvée. Elle reste cependant lourde à mettre en œuvre, onéreuse et limitée en sensibilité. Il est alors communément fait appel aux plasmons de surface localisés (LSP) à la surface de nanoparticules ou nanostructures et à des molécules « marqueurs » augmentant la sensibilité. L’intérêt des LSP est d’avoir une exaltation considérable (plusieurs ordres de grandeur) du champ électromagnétique à la surface du métal. Cela permet d’accroître la sensibilité du LSP aux faibles variations d’indice et notamment à la présence de molécules à proximité de la surface métallique. Quelques techniques utilisant les LSP sont le SPR, le SERS (surface enhanced Raman scattering) et le SEIRA (surface enhanced infrared absorption). La technique de SERS, l’une des plus sensible, est limitée en terme d’intégration et de coût. Par ailleurs, dans un souci d’augmentation de la sensibilité du biocapteur un décalage des résonances plasmoniques (LSPR) vers l’infrarouge est indispensable (sensibilité à l’indice plus grande). De plus, les LSPR dans l’infrarouge viennent en résonance avec les modes de vibration interne des molécules (signature spectrale). Cela permet alors d’utiliser la technique de SEIRA, fortement dépendante de l’exaltation du champ électromagnétique, pour l’observation de ces modes de vibrations. Dans cette optique, l’utilisation de semi-conducteurs dégénérés (SCD) est extrêmement prometteuse. En effet, l’exaltation du champ électromagnétique dans l’infrarouge est beaucoup plus grande qu’avec l’or, métal le plus communément utilisé, grâce à une permittivité plus adaptée. C’est un point crucial pour accroitre la sensibilité du biocapteur. Enfin, les nanostructures en SCD sont facilement intégrables à un dispositif plus complet (émetteur, spectromètre) dans l’objectif d’un Lab-on-chip.

Récemment, l’équipe coordonnant le projet SUPREME-B, l’IES, a réalisé des nanostructures à base de SCD donnant des LSPR dans l’infrarouge. Il s’agissait d’une couche d’InAsSb très fortement dopée nanostructurée épitaxiée sur un substrat de GaSb. La réalisation d’un dispositif LSPR tout-semi-conducteur est donc réaliste. Le projet SUPREME-B a pour objectif d’explorer et de poser les briques de bases permettant la réalisation du biocapteur à base de LSPR en SCD.

L’objectif du projet SUPREME est double :

En premier lieu, développer des résonateurs plasmoniques à SCD dans l’infrarouge (autour de 10 µm) à l’aide des compétences en modélisation et caractérisations optiques en champ proche et en champ lointain du consortium (IES et UTT). Une augmentation du facteur d’exaltation du champ électromagnétique de quasiment un ordre de grandeur est attendue par rapport à l’état de l’art dans cette gamme de longueur d’onde selon la géométrie choisie.

En second lieu, la surface du LSPR à SCD sera fonctionnalisée par la société SiKEMIA (TPE), dans le but de l’intégrer à un biocapteur sans marqueur (“label free”). Les récepteurs biologiques seront sélectionnés de manière à permettre d’une part la fonctionnalisation et la passivation de la surface semi-conductrice et d’autre part de limiter les phénomènes d’encrassement très présents dans le cas des surfaces d’Au.