charge pour différents points de fonctionnement
Un apport de charge associé à l’adsorption de biopolymères modifie les caractéristiques dc des transistors. Pour rendre compte de ces effets nous déterminons à partir du réseau de carac- téristiques ISD = f (USE) paramétré par USD, la variation de tension ∆USE entre la mesure effectuée après et avant l’apport de charge. Cette analyse19 peut être réalisée pour différentes valeurs du courant ISD et de la tension USD (figure B.15.a). La figure B.15.b correspond au pic électronique de polylysine20 sur lequel a été effectuée l’analyse détaillée des dépendances de ∆USE au point de travail (ISD, USD). Nous observons pour ce pic une diminution progressive
17
Les valeurs pour l’épaisseur d’oxyde et de mobilité sont les mêmes que celles du réseau de 96 FETs (dox=10
nm et µp= 450 cm2V−1s−1) 18
Les valeurs expérimentales de β données dans le tableau B.2 sont moyennées sur l’ensemble du réseau. Nous ne pouvons à partir de l’ajustement des caractéristiques distinguer les deux types de transistors.
19
L’étude a été effectuée pour le réseau de 62 transistors à partir des caractéristiques non corrigées car comme discuté précedemment l’influence des résistances en série sur les caractéristiques des transistors est négligeable pour ce réseau.
20
du signal électronique lorsque le courant augmente de 10 µA à 100 µA pour une tension USD de 1.2V (variation maximale de 20%). Une analyse des dépendances de ∆USE pour différentes valeurs de USD peut être menée sur un transistor appartenant à ce pic de polylysine (transistor 55). Les variations ∆USEpour ce transitor, calculées pour différentes tensions USD, sont données en fonction de ISD à la figure B.15.c et en fonction de la tension USEavdptcorrespondant à la mesure avant dépôt sur la figure B.15.d. Nous observons sur la figure B.15.c une dépendance importante de ∆USE en fonction du courant ISD pour des faibles tensions USD.
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 30 40 50 60 70 80 90 100 USE (V) ∆ USE (mV) 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 I SD (µA) U SE (V) USD= 0.2 V 48 50 52 54 56 58 60 62 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 USD=1.2 V N˚ TRANSISTOR 10 µA 20 µA 30 µA 40 µA 50 µA 60 µA 70 µA 80 µA ∆ USE (mV) [Fig. b] ∆USE 0 20 40 60 80 100 120 140 30 40 50 60 70 80 90 100 ISD (µA) ∆ USE (mV) USD=0.2 V USD=0.4 V USD=0.8 V USD=1.2 V USD=2.8 V U SD=2.8 V USD=1.2 V USD=0.8 V USD=0.4 V USD=0.2 V [Fig. a] [Fig. c] [Fig. d] avDpt 1.3 V 1.5 V 1.9 V 2.3 V USD= 0.4 V USD= 0.8 V USD= 1.2 V USD= 2.8 V
Figure B.15:Dépendances des signaux électroniques en fonction du point de fonctionnement. [Fig.a] : variation d’une partie des réseaux de caractéristiques ISD= f (USE) d’un transitor donné lors d’un dépôt
de polylysine. Les courbes fines et épaisses représentent respectivement les caractéristiques mesurées avant et après l’adsorption de polylysine. [Fig.b] : pic électronique obtenu en coupant les caractéristiques ISD= f (USE) pour USD=1.2V et pour différentes valeurs de ISD. [Fig.c] : variations ∆USE en fonction
de ISD calculées pour différentes valeurs de USD(pour le transistor 55 de la [Fig.b]). [Fig.d] : variations
∆USE en fonction de USEavdptpour différentes valeurs de USD pour ce même transistor.
En ajustant les caractéristiques par la méthode décrite au paragraphe B.2.2 nous trouvons pour ce transistor une tension de seuil21USE(T )=1.1 V. Nous observons sur la figure B.15.d que les variations de ∆USE en fonction de la tension USEavdptsont faibles et similaires pour l’ensemble des
21
différentes tensions USD tant que la tension USEavdpt est inférieure à U (T )
SE + USD (respectivement pour des tensions USEavdpt< 1.3, 1.5, 1.9 et 2.3 V pour USD=0.2, 0.4, 0.8, et 1.2 V). Cette région correspond à la zone de saturation pour laquelle le canal de trous est pincé. Il semble donc que pour cette région l’inhomogénéité de la densité de charge entre la zone d’inversion (proche de la source) et la zone déplétée (proche du drain) n’est qu’une influence faible sur les signaux électroniques correspondant au dépôt de biopolymères chargés. Du fait de la faible dépendance au point de polarisation des signaux électroniques dans cette région de saturation comparée à la forte dépendance dans la région de conduction linéaire (USEavdpt− U
(T )
SE > USD) nous avons traité l’essentiel des données de ce manuscrit pour des valeurs de ISD et USD correspondant à cette zone de saturation.
L’analyse des dépendances au point de travail des signaux électroniques pour la polylysine, l’ADN et l’hybridation (et ceci pour différentes molarités en sel de l’électrolyte de mesure) est actuellement poursuivie au laboratoire22. Cette étude est en effet importante : d’une part dans le but de rechercher à optimiser les structures d’autre part d’un point de vue fondamental pour une compréhension plus précise de l’interface biomolécules/semiconducteur. Ce travail étant encore préliminaire nous ne le présenterons pas dans ce manuscrit.
22
Cette étude est aussi intéressante pour le réseau de 96 transistors mais rendue plus délicate car l’effet des résistances en série rend plus difficile l’observation des dépendances au point de fonctionnement.
— Appendice C —
Détection de fluorescence
C.1
Montage optique de fluorescence
Le dispositif expérimental pour la détection de fluorescence est schématisé sur la figure C.1. Ce montage permet de réaliser une image de fluorescence à deux couleurs de la surface de nos échantillons. Nous avons opté pour un système d’excitation et de détection ponctuelle1où l’image est réalisée par déplacement de la surface sous le faisceau d’excitation.
Notre montage pour les mesures spatialement résolues de fluorescence est basé sur un micro- scope droit (Olympus , BX50 WI). Les deux sources lasers sont respectivement, pour le rouge un laser HeNe (632.8 nm, Coherent, Puissance 30 mW), et pour le vert un laser Nd :YAG doublé (532 nm, Spectra)2. Les bras optiques pour les deux sources excitatrices possèdent un arrange- ment télescopique qui permet de régler chaque faisceau indépendamment l’un de l’autre. Deux jeux de densités optiques permettent de choisir la puissance souhaitée pour l’excitation laser. Le mélange des deux faisceaux s’effectue au niveau d’une lame dichroïque (lame n◦1). Les deux faisceaux entrent alors dans le bâti du microscope où ils sont réfléchis par une seconde lame dichroïque (lame n◦2) pour être finalement focalisés au niveau de la surface de l’échantillon par l’objectif du microscope (Olympus, UPlan FL 10X, N.A. 0.3). Les faisceaux lasers ainsi focalisés constituent une source ponctuelle de dimension de l’ordre du µm2, et permettent d’exciter loca- lement les deux types de fluorophores utilisés dans nos expériences. Les fluorophores Cy5 sont excités par le laser rouge (HeNe) et les fluorophores Cy3 par le laser vert (NdYag). La fluores- cence émise est collectée par l’objectif du microscope et passe à travers la lame dichroïque n◦2 puis par le filtre d’émission3 qui permettent de sélectionner les longueurs d’ondes correspondant aux spectres d’émission du fluorophore Cy5 (autour de 670 nm) et du fluorophore Cy3 (autour
1
Dans la technique des puces, cette solution est la plus répandue. Les scanners commerciaux utilisent deux lasers, un montage optique de microscopie confocale et un photomultiplicateur : voir par exemple les systèmes développés par Affymetrix [114] ou par Packard BioChip [115].
2
Ce laser (Millenia Vs, 5W) sert comme laser de pompe pour une autre expérience. Nous utilisons une partie du faisceau qui est amené au niveau de notre table optique via une fibre optique. La puissance maximale en sortie de la fibre est de l’ordre de 100 mW.
3
Ces deux composants ont été réalisés spécialement (Chroma) pour permettre l’utilisation du Cy3 et Cy5, avec une très bonne réjection de l’excitation laser à 532 et 633 nm.
PM Laser He/Ne Laser He/Ne fibre optique Laser NdYag doublé Laser NdYag doublé table motorisée XY 15 mm*15mm resolution=0,1 µm lame dichroïque n°1 lame dichroïque n°2 Lumière blanche miroir pivotant Microscope olympus Caméra CCD Vidéo Fentes piezo Carte compteur Filtre d'émission Electronique de contrôle Interfacage Ordinateur LabWindows CVI densité optique densité optique Objectif 532 nm 633 nm
Figure C.1: Montage optique à deux couleurs permettant la détection spatiallement résolue de la fluo- rescence sur la surface des échantillons.
de 570 nm). La fluorescence traverse alors un système de deux fentes ajustables (Piezosystem Jena, PZS1) positionnées dans deux plans images en orientation croisée. Cet arrangement des fentes permet de définir spatialement la région de détection de fluorescence, comme un "pinhole" dans la configuration classique de microscopie confocale (pour plus de détail sur le principe de la microscopie confocale, consulter [116] ou [117]). La détection de fluorescence est réalisée par un photomultiplicateur en mode comptage de photons (H7421, Hamamatsu).
La position de la surface de l’échantillon sous le faisceau d’excitation est contrôlée par un double axe motorisé. Il s’agit de deux platines de translation (VXP 25XA, Newport) montées l’une sur l’autre. Chaque platine possède des capteurs de position, et peut être déplacée laté- ralement sur une distance maximale de 15 mm. Une électronique de contrôle régule par une boucle de rétroaction la position de chaque platine avec une résolution de 100 nm. Pour réaliser
une image de fluorescence de nos échantillons, nous déplaçons la surface en contrôlant l’élec- tronique des platines par un ordinateur via GPIB. Un programme réalisé sous l’environnement LabWindowsCVI, commande le déplacement du système de manière que la source laser ponc- tuelle explore, par pas successifs de longueur réglable, la surface des réseaux de transistors à effet de champ. L’acquisition pour chaque position d’une intensité moyenne de fluorescence à l’aide du photomultiplicateur permet de reconstruire une image à deux dimensions des dépôts de fluorescence à la surface de nos échantillons.
Une alternative possible à ce montage aurait été une imagerie à deux dimensions fondée sur une excitation en champ large et un détecteur d’image (type CCD intégratrice). Nous avons choisi le système d’excitation et de détection ponctuelle pour plusieurs raisons. D’une part, avec un tel montage nous pouvons modifier la résolution des images de fluorescence en choisissant l’objectif et en adaptant la taille du diaphragme ajustable. D’autre part, la configuration confocale permet une meilleure réjection des signaux parasites. De plus, l’excitation ponctuelle permet d’utiliser des sources lasers de puissance plus faible. En effet, pour obtenir la même puissance par unité de surface en imagerie, il faut augmenter la puissance de la source laser proportionnellement à la surface excitée4. Enfin, ce montage nous permet aussi de faire des expériences de molé- cules uniques (FCS : Fluorescence Correlation Spectroscopy, pour le principe de ces expériences se reporter à [118]). De telles expériences nécessitent un détecteur permettant une acquisition temporelle rapide de fluorescence, ce qui est le cas pour notre photomultiplicateur.