Brevet FR2930901A1 — publié le 20091113

SP 32629 PR 1 SYSTEME DE DISTRIBUTION DE NANO-OBJETS ET PROCEDE ASSOCIE DESCRIPTION Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un système de dispense de 5 nano-objets ainsi qu'un procédé de dispense de nanoobjets. La possibilité de manipuler des objets de petites dimensions à l'aide de pinceaux lumineux a été mise en évidence dès l'année 1970 (cf. A. Ashkin, � Physics 10 Review Letters �, N°24, pages 156-159 (1970)). Depuis ce temps, l'intérêt pour la manipulation par pression de photons n'a fait que croître, conduisant à démontrer la possibilité de manipuler des objets aussi divers que, par exemple, des nano-particules, des nano-fils, 15 des nano-tubes ou des cellules biologiques. Le rapprochement de deux objets sous l'effet de modifications du champ électromagnétique qu'ils induisent lorsqu'ils sont éclairés a également été démontré. L'auto-organisation de nana-particules dans 20 un champ électromagnétique périodique a aussi été mise en évidence. Par ailleurs, il a également été démontré que l'on pouvait utiliser la lumière non seulement pour assembler, mais également pour casser des nano-objets. Selon l'art connu, la manipulation et le piégeage 25 de nana-objets se font sur des nana-objets placés dans un liquide. La recherche des nana-objets dans ce liquide n'est pas aisée car le volume de liquide est très important comparativement à la taille des nanoobjets. Par ailleurs, si des nana-objets différents 2 sont utilisés en même temps, il n'est pas facile de les reconnaître, en particulier quant à la nature des matériaux qui les constituent. D'autre part, si des nano-objets sont en excès dans le liquide, il est difficile de s'assurer qu'il n'en subsistera pas en surface de l'échantillon après rinçage. Le système de dispense de l'invention ne présente pas ces inconvénients. Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne un système de dispense de nano-objets apte à opérer un transfert de nano-objets dans une zone de travail emplie d'un liquide, caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins une cuve emplie d'un liquide identique au liquide qui emplit la zone de travail et qui communique avec la zone de travail, un guide d'onde optique formé sur une paroi de la cuve, le guide d'onde optique ayant une première extrémité à l'extérieur de la cuve et une deuxième extrémité, à l'opposé de la première extrémité, sensiblement située dans une zone qui délimite la cuve et la zone de travail, le guide d'onde optique ayant, du côté de la deuxième extrémité, une zone d'extrémité dont les dimensions sont adaptées pour qu'une onde optique qui se propage dans le guide d'onde optique à partir de la première extrémité ne soit pas réfléchie ; - des premiers moyens optiques aptes à exciter une onde optique dans le guide d'onde optique au niveau de la première extrémité du guide, ladite 3 onde optique étant apte à piéger un nano-objet présent dans la cuve et à assurer un déplacement du nano-objet piégé en surface du guide d'onde optique, jusqu'à la zone d'extrémité au-dessus d'une fraction de laquelle le nano-objet est sensiblement immobilisé ; et - des seconds moyens optiques aptes à déplacer dans la zone de travail un nano-objet sensiblement immobilisé au-dessus de la fraction de la zone d'extrémité. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, une partie de la cuve située du côté de la première extrémité du guide d'onde a des dimensions très sensiblement supérieures aux dimensions du reste de la cuve de telle sorte que ladite partie constitue un réservoir pour les nano-objets. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, une pluralité de cuves communiquent avec une zone de travail unique. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, la paroi de la cuve est constituée d'une couche d'oxyde de silicium et le guide d'onde est constitué d'une bande de nitrure de silicium déposée sur la couche d'oxyde de silicium. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les premiers moyens optiques sont constitués d'une première source laser qui émet un premier faisceau laser et de moyens de focalisation du premier faisceau laser qui concentrent le premier faisceau laser sur la première extrémité de la couche de nitrure. 4 Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, des moyens optiques supplémentaires créent une surintensité locale de champ électromagnétique dans une partie de la cuve située au- dessus de la fraction de la zone d'extrémité du guide d'onde. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les seconds moyens optiques sont constitués d'une seconde source laser qui émet un second faisceau laser et de seconds moyens de focalisation qui concentrent le second faisceau laser de façon à former une pince optique dans le liquide présent au-dessus de la zone d'extrémité. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, des moyens d'imagerie visualisent les nano-objets qui se trouvent sensiblement immobilisés au-dessus de la fraction de la zone d'extrémité. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les premiers moyens optiques et les seconds moyens optiques sont les mêmes moyens optiques utilisés séquentiellement. L'invention concerne également un procédé de dispense de nano-objets dans une zone de travail, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : excitation d'une onde optique dans un guide d'onde optique immergé dans un liquide, sous l'effet de l'onde optique excitée dans le guide d'onde optique, piégeage et déplacement vers la zone de travail d'un nano-objet présent dans le liquide qui immerge le guide d'onde optique, - immobilisation du nano-objet déplacé vers la zone de travail au-dessus d'une fraction d'une zone d'extrémité du guide d'onde optique, et transfert, à l'aide d'une pince optique, du nana- 5 objet immobilisé au-dessus de la fraction de la zone d'extrémité dans la zone de travail. L'invention améliore très sensiblement l'état de l'art sur les points suivants : - minimisation des temps de recherche des nano-objets en les mettant à disposition, préférentiellement de manière automatique, dans des endroits précis et connus à l'avance, appelés zones de dispense, - minimisation des temps de déplacement des nano-objets en plaçant les zones de dispense à proximité de l'endroit (zone de travail) où on souhaite assembler et positionner les nano-objets, - garantie à tout moment de la propreté du liquide présent dans la zone de travail afin de limiter le nombre de défauts après assemblage (le terme � propreté � s'entend par le fait que le liquide de la zone de travail reste � propre � de tout nanoobjet indésirable), - possibilité de travailler en différents endroits à l'aide d'un même dispositif, - possibilité de travailler avec des nano-objets de natures différentes, en étant sûr de la nature du nano-objet que l'on manipule, - limitation des flux de liquide dans la zone de travail, ce qui permet de ne pas perturber les opérations d'assemblage et de manipulation. 6 Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait en référence aux figures jointes, parmi lesquelles : - la figure 1 représente un schéma de principe d'un système de dispense élémentaire de l'invention ; - les figures 2A et 2B représentent un mode de réalisation particulier du système dispense élémentaire représenté en figure 1 ; - la figure 3 représente un schéma de principe d'un système de dispense de l'invention qui utilise une pluralité de systèmes de dispense élémentaires tels que ceux représentés en figure 1. Sur toutes les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La figure 1 représente un schéma de principe d'un système de dispense élémentaire de l'invention qui communique avec une zone de travail Z. Le système de dispense élémentaire de l'invention comprend une cuve K emplie d'un liquide identique au liquide qui emplit la zone de travail Z, des premiers moyens optiques M1 et des seconds moyens optiques M2. La cuve K comprend trois zones principales : un réservoir R, une zone de transport T et une zone tampon Zt. Le réservoir R est une zone de la cuve dans laquelle les nano-objets sont introduits dans la cuve. La zone de transport T est une zone de la cuve dans 7 laquelle les nano-objets sont transportés en direction de la zone de travail Z. La zone tampon Zt est une zone de la cuve dans laquelle les nano-objets sont stockés avant leur transfert dans la zone de travail. Le trajet des nano-objets dans la cuve K va maintenant être décrit. Les nano-objets sont tout d'abord dispersés, en dehors de la cuve K , dans un liquide pour former une solution. Quelques gouttes de cette solution sont ensuite déposées dans le liquide L que contient le réservoir R. Compte tenu de la dimension des nano-objets, une goutte de solution peut comporter un très grand nombre de nano-objets. Les nano-objets sont ensuite transportés, du réservoir R vers la zone tampon Zt, sous l'effet d'une onde optique délivrée par les premiers moyens optiques M1. A cette fin, la zone de transport T comprend un guide d'onde optique qui propage l'onde optique. Les nano-objets qui arrivent dans la zone tampon Zt doivent pouvoir rester dans cette zone jusqu'au moment souhaité de leur transfert dans la zone de travail Z. Du fait de leur mouvement brownien dans le liquide L, les nanoobjets se déplacent dans la zone tampon Zt. Il est important que ce mouvement ne conduise pas les nanoobjets à pénétrer dans la zone de travail. Plusieurs options sont possibles afin d'éviter que les nanoobjets ne pénètrent dans la zone de travail Z. La zone tampon Zt peut être choisie, par exemple, avec des dimensions suffisamment grandes pour que la probabilité qu'une nano-particule se retrouve dans la zone de travail du fait de son mouvement brownien soit négligeable. Il est également possible de confiner les 8 nano-particules à l'aide d'une surintensité locale du champ électromagnétique, située en surface du guide d'onde . Les nano-objets stockés dans la zone tampon Zt sont ensuite transférés, lorsque cela est souhaité, dans la zone de travail Z à l'aide d'une pince optique créée par les moyens optiques M2. La zone tampon Zt peut faire l'objet d'une imagerie permettant de reconnaître son état d'encombrement. A cette fin, le système de dispense peut comprendre un dispositif d'imagerie Img (par exemple une caméra CCD) qui visualise le contenu de la zone tampon. Si une zone tampon comporte trop de nanoobjets, le transport peut être arrêté en coupant le faisceau laser qui se propage dans le guide d'onde. Plutôt que d'arrêter le transport des nano-objets, il est également possible de réduire le débit de ceux-ci en diminuant la puissance injectée dans le guide par les moyens optiques M1, ce qui diminue la force induite par la pression de radiation et donc, la vitesse de déplacement des nano-objets. Les figures 2A et 2B représentent un mode de réalisation particulier du système de dispense élémentaire de l'invention dont le schéma de principe est représenté en figure 1. Le système de dispense est formé sur une couche de silice (SiO2) 5 déposée sur un substrat de silicium (Si) 6. Le fond de la cuve K est constitué par la couche de silice 5 sur laquelle est déposée une bande de nitrure de silicium (Si3N4) B. La bande de nitrure de silicium B constitue un guide d'onde optique. L'épaisseur de la couche de silice peut être égale, par 9 exemple, à 2pm. Les parois 4 de la cuve K autres que le fond sont réalisées, par exemple, en polydiméthylsiloxane (PDMS). La bande de nitrure de silicium B comprend trois zones successives : une zone 1 sous la forme d'une bande étroite de largeur constante 12r une zone 2 sous la forme d'un pavé de largeur constante 12 supérieure à l et une zone 3 qui relie les zones 1 et 2 et dont la largeur s'élargit continument de la zone 1 à la zone 2. Une première extrémité de la bande de nitrure (extrémité de la bande de nitrure du côté de la zone 1) est située à l'extérieur de la cuve K, la deuxième extrémité (extrémité de la bande de nitrure du côté de la zone 2) étant située dans la zone qui délimite la cuve K et la zone de travail Z. L'épaisseur de la bande de nitrure peut être égale, par exemple, à 200nm et la largeur 12 de la zone 1 peut être égale, par exemple, à 500nm, la largeur 12 de la zone 2 étant alors comprise entre 5 et 20 }gym, de préférence égale à 10 }gym. La zone tampon Zt est la partie de la cuve K dont le fond est constitué par la zone 2 de la bande de nitrure B. La zone de travail Z est placée au-delà de la zone 2 et le réservoir R est placé a proximité de la première extrémité de la bande de nitrure. La cuve K a préférentiellement une hauteur et une largeur plus importantes dans le réservoir R que dans les parties T et Zt qui relient la zone de travail et le réservoir. La largeur de la cuve K, dans la zone de transport T, est préférentiellement sensiblement égale à la largeur de la zone 12 de la zone 2. 10 Les moyens optiques M1 comprennent un objectif 01 qui focalise un faisceau laser F1 dans la bande de nitrure B qui constitue un guide d'onde pour la lumière. La longueur d'onde du faisceau F1 est, par exemple, égale à 1064nm et la puissance guidée est, par exemple, égale à 40mW. Sous l'action de forces optiques dites � forces de gradient �, le guide d'onde attire vers lui les nano-objets présents dans le réservoir R. De façon connue en soi, la présence de lumière dans le guide d'onde conduit à l'apparition d'une onde évanescente à la surface du guide d'onde. Cette onde évanescente conduit les nano-objets attirés par les forces de gradients à se déplacer le long du guide d'onde qui constitue alors une zone de transport T pour les nano-objets. Le couplage du faisceau laser F1 dans le guide d'onde peut s'effectuer de différentes manières et, notamment, par la tranche de la couche de nitrure, comme cela est représenté sur les figures 2A et 2B. Il est également possible d'exciter directement le guide d'onde via un milieu actif, par exemple un milieu de type � boîtes quantiques �. La zone tampon Zt interrompt le guide d'onde optique. Les nano-objets qui parviennent dans la zone tampon Zt sont stockés dans cette zone en attendant qu'une pince optique vienne les déplacer. La zone tampon Zt ne doit pas induire d'onde réfléchie dans le guide optique, laquelle onde réfléchie provoquerait l'établissement d'un état stationnaire qui perturberait le déplacement des nano-objets le long du guide. C'est à cette fin que la zone 3 de la bande de nitrure 11 s'élargit continument entre les zones 1 et 2, constituant une transition adiabatique (� taper � en langue anglaise) qui assure une adaptation progressive des modes de propagation entre les zones 1 et 2. Les zones 2 et 3 du guide d'onde optique constituent ainsi une zone d'extrémité du guide dont les dimensions sont adaptées pour qu'une onde optique qui se propage dans la zone 1, à partir de la première extrémité du guide, ne soit pas réfléchie. Les moyens optiques M2 qui assurent le transfert des nano-objets de la zone tampon Zt vers la zone de travail Z comprennent un objectif 02 qui focalise un faisceau laser F2. Le faisceau laser F2 focalisé par l'objectif 02 crée, dans la zone tampon, une pince optique qui piège les nano-objets. La pince optique est ensuite déplacée vers la zone de travail afin d'y amener les nano-objets qui ont été piégés. Les moyens optiques M2 qui créent le faisceau laser F2 peuvent être les mêmes que les moyens optiques M1 qui créent le faisceau laser F1. Dans ce cas, les moyens optiques restent au niveau du réservoir R jusqu'à temps qu'un nano-objet dont ils provoquent le déplacement arrive dans la zone tampon Zt. Ils sont ensuite déplacés vers la zone tampon Zt où ils sont utilisés dans une configuration conduisant à la formation d'une pince optique apte à opérer un transfert des nano-objets de la zone tampon Zt vers la zone de travail Z. La figure 3 représente un schéma de principe d'un système de dispense de l'invention qui utilise une pluralité de systèmes de dispense élémentaires tels que ceux représentés en figure 1. Les différents systèmes 12 de dispense élémentaires partagent une même zone de travail Z et sont distribués autour de cette zone de travail. Chaque système de dispense élémentaire comprend un réservoir Ri, une zone de transport Ti et une zone tampon Zti. Les moyens optiques des différents systèmes de dispense peuvent être ou non partagés par plusieurs systèmes de dispense élémentaires. Avantageusement, un ou plusieurs systèmes de dispense élémentaires peuvent fonctionner d'une façon inverse à celle décrite en référence à la figure 1. La lumière est alors injectée dans une zone tampon Zti et se propage vers le réservoir Ri. Une pince optique dépose alors des nano-objets provenant de la zone de travail Z dans la zone tampon Zti. Les nano-objets déposés dans la zone tampon Zti sont alors transportés par la lumière qui se propage dans le guide d'onde en direction du réservoir Rj. Les nano-objets qui arrivent dans le réservoir Rj peuvent être, par exemple, jetés ou réutilisés. Les zones tampon peuvent faire l'objet d'une imagerie permettant de reconnaître leur état d'encombrement. A cette fin, le système de dispense peut comporter une ou plusieurs caméras CCD qui visualisent le contenu des zones tampons. Si une zone tampon comporte trop de nano-objets, le transport peut-être arrêté en coupant le faisceau laser qui se propage dans le guide d'onde. Plutôt que d'arrêter le transport des nano-objets, il est également possible de réduire le débit de ceux-ci en diminuant la puissance injectée dans le guide, ce qui diminue la force induite par la 13 pression de radiation et donc, la vitesse de déplacement des nano-objets. Pour des raisons de commodité, dans la description ci-dessus, le terme � nano-objet� est utilisé pour désigner, de façon générale, un objet ou une particule susceptible d'être déplacé à l'aide du système de dispense de l'invention. Le terme � nano-objet � ne doit bien sûr pas s'entendre comme un objet dont les dimensions sont exclusivement de l'ordre de quelques nanomètres. Le tableau ci-dessous résume, à titre d'exemples non limitatifs, les � nano-objets � ou particules susceptibles d'être déplacés par un système de dispense de l'invention. OBJETS Dimensions (matériau) Billes diélectriques 5nm à 5pm de diamètre (SiO2, Ta2O5, ZnO, Latex, TiO2, Al2O3) Billes ou ellipsoïdes métalliques 5nm à 5pm de diamètre ou de (Or, Ag, Cu, Al) grand axe 1 à 100nm de diamètre de Systèmes à nanobille métallique et bille et 20 à 500nm coquille diélectrique d'épaisseur de coquille diélectrique Nanocristaux semi-conducteurs 5 à 100nm de nanocristal avec coquille diélec- trique de 0 à 20nm (ZnS/CdSe, InSb, Ge) Nanofils diélectriques ou semi- 5nm à 500nm de diamètre conducteurs de fil et 100nm à 10pm (Si, ZnO, GaN, SiO2) de longueur Macromolécules (ADN, ARN, protéines) 5 nm à 5pm de longueur de la chaîne moléculaire Cellules (levures, globules rouges, 500 nm à 10 }gym de lymphocytes...) diamètre REVENDICATIONS1. Système de dispense de nano-objets apte à opérer un transfert de nano-objets dans une zone de travail (Z) emplie d'un liquide (L), caractérisé en ce qu'il comprend : au moins une cuve (K) emplie d'un liquide identique au liquide qui emplit la zone de travail (Z) et qui communique avec la zone de travail, - un guide d'onde optique (B) formé sur une paroi de la cuve, le guide d'onde optique ayant une première extrémité à l'extérieur de la cuve et une deuxième extrémité, à l'opposé de la première extrémité, sensiblement située dans une zone qui délimite la cuve et la zone de travail, le guide d'onde optique ayant, du côté de la deuxième extrémité, une zone d'extrémité (2, 3) dont les dimensions sont adaptées pour qu'une onde optique qui se propage dans le guide d'onde optique à partir de la première extrémité ne soit pas réfléchie ; des premiers moyens optiques (Ml) aptes à exciter une onde optique dans le guide d'onde optique au niveau de la première extrémité du guide, ladite onde optique étant apte à piéger un nano-objet présent dans la cuve et à assurer un déplacement du nanoobjet piégé en surface du guide d'onde optique jusqu'à la zone d'extrémité au-dessus d'une fraction de laquelle le nano-objet est sensiblement immobilisé ; et - des seconds moyens optiques (M2) aptes à déplacer dans la zone de travail (Z) un nano-objet 16 sensiblement immobilisé au-dessus de la fraction de la zone d'extrémité. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel une partie de la cuve située du côté de la première extrémité du guide d'onde a des dimensions très sensiblement supérieures aux dimensions du reste de la cuve de telle sorte que ladite partie constitue un réservoir (R) pour les nano-objets. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel une pluralité de cuves communiquent avec une zone de travail unique. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la paroi de la cuve est constituée d'une couche d'oxyde de silicium et le guide d'onde est constitué d'une bande de nitrure de silicium déposée sur la couche d'oxyde de silicium. 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les premiers moyens optiques sont constitués d'une première source laser (S1) qui émet un premier faisceau laser et de moyens de focalisation (01) du premier faisceau laser qui concentrent le premier faisceau laser sur la première extrémité de la couche de nitrure. 6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, dans 30 lequel des moyens optiques supplémentaires créent une surintensité locale de champ électromagnétique dans une 17 partie de la cuve située au-dessus de la zone d'extrémité du guide d'onde. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les seconds moyens optiques sont constitués d'une seconde source laser (S2) qui émet un second faisceau laser et de seconds moyens de focalisation (02) qui concentrent le second faisceau laser de façon à former une pince optique dans le liquide présent au-dessus de la zone d'extrémité (2, 3) . 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premiers moyens optiques et les seconds moyens optiques sont des mêmes moyens optiques utilisés séquentiellement. 9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel des moyens d'imagerie (Img) visualisent les nano-objets qui se trouvent sensiblement immobilisés au-dessus de la fraction de la zone d'extrémité. 10. Procédé de dispense de nano-objets dans une zone de 25 travail, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes . excitation d'une onde optique dans un guide d'onde optique immergé dans un liquide, sous l'effet de l'onde optique excitée dans le guide 30 d'onde optique, piégeage et déplacement vers la zone 18 de travail d'un nano-objet présent dans le liquide qui immerge le guide d'onde optique, û immobilisation du nano-objet déplacé vers la zone de travail au-dessus d'une fraction d'une zone d'extrémité du guide d'onde optique, et û transfert, à l'aide d'une pince optique, du nanoobjet immobilisé au-dessus de la fraction de la zone d'extrémité dans la zone de travail.