Fabrication et caractérisation de cristaux photoniques pour exaltation de fluorescence

La société actuelle a un besoin de plus en plus pressant d'analyses moléculaires rapides, peu coûteuses et transportables. Ce besoin motive à concevoir des laboratoires sur puce : ce sont des microsystèmes fabriqués selon les techniques de la microélectronique et qui utilisent les différentes propriétés physiques des molécules pour détecter leur présence dans des échantillons liquides. Pour cela, ces molécules peuvent être attachées à des points quantiques, nanoparticules semi-conductrices à bande de fluorescence étroite. Dans ce projet, nous utilisons un système accordable à deux couches de cristaux photoniques, qui sert de filtre optique variable pour détecter la présence et la longueur d'onde des points quantiques. Les cristaux photoniques sont des diélectriques dont l'indice de réfraction varie de façon périodique, selon une période proche de la longueur d'onde de la lumière visible. On les nomme cristaux photoniques car ils peuvent posséder une bande interdite photonique, tout comme les cristaux atomiques - arrangements périodiques d'atomes – peuvent posséder une bande interdite électronique. Ils sont photoniques puisque ce sont des photons et non des électrons qui s'y propagent. Ils permettent aussi d'exalter la fluorescence des points quantiques à la longueur d'onde de résonance guidée des cristaux photoniques. Mes objectifs pour ce projet sont de fabriquer des cristaux photoniques à double couche, de les caractériser, d'y déposer des points quantiques et de mesurer l'exaltation de fluorescence. Le dispositif fabriqué dans le cadre de ce projet consiste en une gaufre de silicium sur laquelle on dépose une première couche de 200 nm de nitrure de silicium, suivie d'une couche de 200 nm d'oxyde de silicium et d'une autre de 200 nm nitrure de silicium. Une étape de lithographie par faisceaux électroniques permet de définir les cristaux photoniques et les microsystèmes. Les cristaux photoniques fabriqués pour ce projet sont un réseau à maille carrée de trous de 180 nm de diamètre, répartis selon une période de 460 nm et percés dans les deux couches minces de nitrure de silicium. La gravure des deux couches de nitrure de silicium se fait en une seule étape de gravure ionique réactive ou RIE. Ensuite, le silicium sous les cristaux photoniques est gravé par l'arrière par gravure profonde DRIE, jusqu'au nitrure. Finalement, la couche d'oxyde est retirée pour suspendre complètement les deux couches de cristaux photoniques. Le microsystème permet de modifier l'espacement entre les deux cristaux photoniques afin d'ajuster la longueur d'onde de la résonance guidée.

Abstract

In today's world, there is a pressing need for point-of-care molecular analysis that is fast, inexpensive and transportable. Lab-on-a-chips are designed to fulfill that need. They are micro-electromechanical systems (MEMS), fabricated with microelectronic techniques, that use the analytes physical properties to detect their presence in liquid samples. This detection can be performed by attaching the analyte to quantum dots. These quantum dots are semiconducting nanoparticles with narrow fluorescence band. In our project, we use a tuneable system with a two-slab photonic crystal that serves as a tuneable optical filter, detecting the presence and wavelength of these quantum dots. Photonic crystals are dielectrics with a variable refractive index, with a period near the visible light wavelength. They are called photonic crystals because they have a photonic band gap just as atomic crystals, periodic structure of atoms, have an electronic band gap. They are photonic because photons instead of electrons propagate through them. They can also enhance fluorescence from quantum dots at the photonic crystals guided resonance wavelength. My project objectives are to: - Fabricate two-slab photonic crystal, - Characterize photonic crystals, - Place quantum dots on photonic crystals, - Measure fluorescence enhancement. The device made during this project consists of a silicon wafer on which were deposited a 200 nm silicon nitride layer, then a 200 nm silicon dioxide layer and finally another 200 nm silicon nitride layer. An electron-beam lithography defines the photonic crystals and the MEMS. The photonic crystals are square lattices of holes 180 nm in diameter, at a period of 460 nm, etched through the two silicon nitride slabs. The two slabs are etched in a single step of Reactive Ion Etching (RIE). Then, the silicon under the photonic crystal is etched from the backside up to the nitride by deep-RIE. Finally, the oxide layer is removed in order to completely suspend the two-slab photonic crystal. The MEMS can change the gap between the two slabs in order to tune the guided resonance wavelength.