De la recherche fondamentale au partenariat industriel

Surfaces, interfaces et nanostructrures

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Objectifs

les activités de l'équipe s'inscrivent dans un axe «nanosciences» et ont pour buts :
- l'étude de couches minces et de nanostructures auto-assemblées élaborées sur surfaces semi-conductrices,
- l'étude de surfaces planes fonctionnelles pour des applications en biologie.
Nous disposons principalement d'un équipement sous ultra-vide et à l'air permettant des analyses en résolution atomique ou moléculaire par microscopie en champ proche (AFM et STM). Ces études sont complétées par des modélisations que nous réalisons dans le cadre du formalisme de la DFT qui fait partie actuellement des méthodes ab initio les plus aptes à décrire efficacement ces systèmes.

Collaborations

Pr. Ch. Ramseyer du LPM (Laboratoire de Physique Moléculaire de Besançon), modélisation des surfaces
Pr. S. Bluegel du Forschungszentrum Jülich Forschung (Allemagne), modélisation des surfaces
Pr. J.M. Themlin du L2MP de Marseille, étude en photoémission
Pr. M. Fromm du LMN de Besançon, étude de l'ADN
Pr. L. Sanche de la Faculté de médecine de Sherbrooke (Canada), étude de l'ADN

Réalisation et modélisation d'auto-assemblages moléculaires et supra-moléculaires sur silicium : étude de leurs propriétés électroniques et ferro-électriques

Cette action est menée dans le cadre de l’axe transversal «micro et nano-antennes» de FEMTO-ST. Le laboratoire réuni à la fois des chimistes, des physiciens expérimentateurs et modélisateurs capables de synthétiser des molécules, d'élaborer et de caractériser des substrats nanostructurés et auto-assemblés sur semiconducteur.

Ce partenariat contribue à structurer les activités « nanosciences » de FEMTO-ST. Il permet aussi de réaliser un projet novateur au niveau international sur l'auto-assemblage moléculaires 1D sur semi-conducteur à température ambiante. La réalisation de nanofils moléculaires ferroélectriques pourrait avoir des retombées technologiques importantes dans le domaine de la nano-électronique.

Pour réaliser les auto-assemblages moléculaires, nous avons mis au point un concept novateur en utilisant des surfaces pré-structurées terre-rare/Si et SiB. Elles présentent des reconstructions cristallographiques à caractère unidimensionnel et ionique, de périodicité contrôlable à l'échelle atomique pour orienter la croissance des molécules. Nous souhaitons également étudier sur semi-conducteurs inertes (SiB) les effets des substituants aux extrémités des branches de ces molécules sur la formation d’assemblages moléculaires et supramoléculaire bidimensionnels. Les caractérisations de surface des réseaux auto-assemblés se font par microscopie STM sous ultra-vide et sont complétées par des calculs ab-initio qui permettent la modélisation et la prédiction des systèmes étudiés.

Actuellement nous sommes les seuls au niveau international à pouvoir générer des auto-organisations sur semi-conducteur à température ambiante. L'image STM de la figure suivante montre deux niveaux d’organisations supramoléculaire de la molécule 4-aminobenzonitrile déposée sur SiB.

Organisation supramoléculaire de la molécule 4-aminobenzonitrile déposée sur SiB

Organisation supramoléculaire de la molécule 4-aminobenzonitrile déposée sur SiB

Etude par microscopie à force atomique de l'effet des rayonnements de basse énergie sur les cassures de brins d'ADN

Etude soutenue par la Ligue contre le Cancer (bourse de thèse attribuée à Antoine Mougin).
La maîtrise des conditions de dépôt d’un brin d’ADN sur une surface (conformation, type de liaison...) est un sujet en pleine activité. Le passage d'une radiation génère une quantité importante d'électrons secondaires dans une cellule. Il est donc essentiel de comprendre et de quantifier les effets pour être en mesure de fabriquer des radio-sensibilisateurs. L'observation, en microscopies à champ proche AFM et STM de molécules d'ADN correctement déposées et irradiées par des électrons de basse énergie doit permettre de mesurer des sections efficaces des électrons et de valider ou de compléter les théories existantes.

Le bombardement des brins d'ADN par des électrons nécessite de déposer les molécules sur des surfaces conductrices parfaitement planes à l'échelle atomique. Notre projet innove sur deux points.
- l'utilisation d'un nouveau substrat semiconducteur préparé sous ultra-vide, parfaitement conducteur et beaucoup plus inerte qu'un semiconducteur « classique » : le silicium très dopé en bore.
- le dépôt des brins d'ADN par la technique de Langmuir-Blodgett qui permet d'obtenir des monocouches d'ADN sur silicium.

Nous avons utilisé un ADN plasmidique sur enroulé pour réaliser des dépôts par la technique Landmuir-Blodgett. L'image AFM de la figure 2 montre l'obtention d'une monocouche d'un complexe ADN/surfactant déposé sur SiB.

monocouche d'un complexe ADN/surfactant déposé sur SiB

monocouche d'un complexe ADN/surfactant déposé sur SiB

Perspectives

L'équipe possède de très bonnes compétences tant expérimentales que théoriques pour poursuivre l'étude complexes des interfaces molécules /semi-conducteurs aussi bien sur un plan biomédical que purement technologique. Nous souhaitons développer l'étude des systèmes molécules/semi-conducteur, stables à température ambiante, et viser des applications en nanoélectronique.

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