Intérêt du diamant pour le développement de capteurs à cristaux photo-niques
Au travers de ce premier chapitre, nous avons commencé par montrer le fort potentiel des principales technologies de capteurs optiques label-free. Plus particulière-ment, l’utilisation des cristaux photoniques en tant que capteurs constitue un domaine de recherche qui semble être très prometteur. Les formidables progrès réalisés ces der-nières décennies en photonique ont notamment été rendus possibles par les progrès des procédés technologiques sur silicium. Cependant aujourd’hui, certaines contraintes liées à la chimie de surface du silicium, comme celles précédemment mentionnées, au développement de capteurs biologiques ouvrent la voie au développement de nouvelles technologies, notamment basées sur l’utilisation des matériaux biocompatibles. En cela
le diamant présente des propriétés très prometteuses ; il constitue un candidat idéal à la fois pour la réalisation de structures photoniques et le développement de biocap-teurs. Les surfaces du diamant peuvent être fonctionnalisées notamment par liaison covalente, pour fabriquer des interfaces biologiques extrêmement stables et sélectives, une propriété qui est particulièrement souhaitable pour la réalisation de biocapteurs.
Dans cette thèse, nous proposons donc d’utiliser le diamant pour la réalisation de guides d’ondes à cristaux photoniques pour le développement de biocapteurs innovants à lecture optique. L’indice de réfraction élevé du diamant permet d’envisager la cana-lisation d’une onde optique dans le volume d’un guide d’onde où la propagation sera modifiée en fonction de la présence de sites récepteurs sur sa surface. A partir de struc-tures de taille micrométrique capables de guider la lumière que sont les CPh, il s’agira d’explorer la possibilité d’utiliser cette approche, fortement interdisciplinaire, pour le développement de nouveaux types de bio-détecteurs fonctionnant en temps réel et sans marquage préalable des molécules détectées. Le diamant étant un matériau optique-ment transparent, tous ces processus d’hybridation-dénaturation peuvent être étudiés depuis le support, par couplage optique. Ainsi, cette thèse vise à démontrer l’efficacité de telles nanostructures en diamant fonctionnalisé pour permettre la détection optique de molécules spécifiques, ou en d’autres termes, développer et de caractériser les dif-férentes briques technologiques nécessaires à la conception d’un biocapteur à cristaux photoniques en diamant.
Ainsi, un ensemble de modélisations et simulations numériques permettra de pré-ciser les paramètres géométriques pour que ces structures soient le plus sensibles à leur environnement de surface. Un travail de développement des procédés de microfabrica-tion en salle blanche permettra ensuite de réaliser les CPh précédemment modélisés. La réponse optique des CPh sera étudiée afin d’évaluer les performances des structures réalisées. En parallèle, un travail concernera le choix et la mise en place de voies de greffage sur la surface des CPh en diamant pour l’accroche de fonctions sondes permet-tant de cibler des objets biologiques. Des essais de détection seront finalement menés en vue de la réalisation d’un capteur biochimique.
Les travaux présentés dans ce manuscrit s’appuient sur l’expertise du LCD pour la réalisation de films en diamant et leur fonctionnalisation biochimique, ainsi que sur l’expérience de l’IEF en matière de simulation et de fabrication de nanostructures optiques.
Jusqu’à ce jour, la littérature ne recense pas l’utilisation de cristaux photoniques en diamant pour des applications de détection, et montre en cela tout l’intérêt de ces travaux. Une des motivations du point de vue de la physique est que les applications à
la biologie requièrent le développement de nouvelles géométries de guides et cavités qui doivent tenir compte de l’indice optique du diamant qui est plus faible que celui des semi-conducteurs usuels comme le silicium. Par ailleurs, l’utilisation du diamant poly-cristallin est nouvelle et la maîtrise des procédés de fabrication de structures de taille nanométrique peut s’avérer être un atout pour son application à d’autres domaines.
De ce fait, la réalisation de telles structures ne s’inscrit pas seulement dans le domaine de la détection. Elle ouvre la voie à la nanophotonique sur diamant polycris-tallin ou monocrispolycris-tallin en rendant possible la fabrication de puces optiques intégrant des éléments passifs et actifs comme des guides, des coupleurs, des résonateurs, des sources de lumières et des détecteurs. Le développement et la maîtrise de la techno-logie diamant pour la réalisation de nano-cavités permettrait, entre autre, de réaliser des sources de photons uniques via l’exploitation des centres NV [128, 147] ou des résonateurs opto-mécaniques originaux [148] par exemple.
Architecture des cristaux
photoniques en diamant orientés
détection
2.1 Introduction
Dans la première partie de ce manuscrit, le principe général du fonctionnement d’un capteur à cristaux photoniques a été présenté. La possibilité d’obtenir des cavités résonantes dans des cristaux photoniques permettant la détection d’espèces biochi-miques a été évoquée, sans s’attacher à donner tous les éléments régissant le fonc-tionnement de telles structures. Étant donné le caractère innovant de la réalisation de cristaux photoniques en diamant destinés à des applications de détection, leur concep-tion nécessite une bonne compréhension des mécanismes à l’origine du comportement de la lumière et l’influence des paramètres de la géométrie du CPh.
Bien que plusieurs géométries de structures photoniques existent dans littérature pour la fabrication de transducteurs, le choix de limiter l’étude aux cristaux photo-niques a été fait. Ces structures permettent, entre autre, de combiner de forts facteurs de qualité et de faibles volumes modaux, contrairement aux autres structures optiques. Notamment, les recherches menées sur les dessins de cavités pour l’amélioration des facteurs de qualité et des volumes modaux montrent le fort potentiel de ces struc-tures pour des applications de détection mais aussi pour d’autres applications comme l’optique quantique. Cependant, le sujet des cristaux photoniques en diamant est re-lativement nouveau, et, lors du démarrage de ces travaux de thèse, il existait peu de simulations sur les matériaux d’indice de réfraction intermédiaire à celui des polymères et des semi-conducteurs sur lesquelles nous pouvions nous appuyer. Un choix judicieux a donc consisté à sélectionner une architecture simple déjà bien étudiée. Cependant, la
géométrie du CPh doit aussi pouvoir répondre à certaines exigences pour la détection de molécules, comme permettre l’obtention de facteurs de qualité élevés afin d’avoir des limites de détection faibles, mais aussi une forte interaction lumière-matière ou plus précisément lumière-analyte pour une sensibilité élevée.
Ainsi, ce chapitre vise à présenter la démarche entreprise et les notions asso-ciées justifiant l’architecture des cavités à cristaux photoniques qui ont été utilisées. Le choix de travailler avec des cristaux photoniques bidimensionnels membranaires dessi-nés pour fonctionner à des longueurs d’onde dans l’infrarouge sera justifié. Nous nous intéresserons plus particulièrement aux cristaux photoniques à fente, briques de base des plateformes photoniques étudiées, et les dimensions adéquates de telles structures seront déterminées.