Projet ANR-14-CE26-0015 – SUPREME-B : Résonateurs à plasmon de surface à base de semi-conducteurs dégénérés pour les biocapteurs IR
Programme : Sciences et technologies des composants nanoélectroniques et nanophotoniques (DS0710) 2014
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur Thierry Taliercio (Institut d'Electronique du Sud)
Partenaires : Laboratoire public; TPE; Laboratoire public
Montant : 526173.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 54 mois
Résumé : 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.