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Chapitre II – Le silicium poreux : Fabrication et Applications aux
Microsystèmes fluidiques
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Chapitre II – Le silicium poreux : fabrication et applications aux microsystèmes fluidiques
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Introduction
L’intérêt grandissant pour le silicium poreux (SiP) est porté par l’essor de
l’électronique moderne sur silicium. Depuis sa découverte par Arthur et Ingeborg
Uhlir en 1956 [51], son champ d’application s’est fortement élargi. Ce matériau, à
la morphologie spongieuse et nanostructurée (Figure 14), issu de la gravure du
silicium monocristallin, suscite d’abord l’intérêt comme isolant diélectrique. En effet,
son énorme surface interne, appelée surface spécifique, lui confère une forte
réactivité chimique et par conséquent une grande facilité à s’oxyder.
Figure 14. Coupe schématique d'une couche de silicium poreux
sur un substrat de silicium monocristallin.
Un nouvel engouement pour le silicium poreux est né de la découverte de sa
photoluminescence à température ambiante par L. T. Canham en 1990 [52]. Depuis
une dizaine d’années, d’autres propriétés de ce matériau sont étudiées et sont
utilisées dans des domaines variés tels que les dispositifs optoélectroniques [53] ou
photovoltaïques [54] et dans des domaines auxquels nous porterons un plus vif
intérêt au cours de ce chapitre, tels que l’isolation électrique, les capteurs bio-
chimiques et les microsystèmes séparatifs.
Trois méthodes de fabrication du silicium poreux sont répertoriées : la dissolution
chimique ou « stain etching » [55], la structuration de surface par gravure plasma
ou « spark etching » [56] et l’anodisation électrochimique [57, 58]. Les deux
premières méthodes sont limitées à la réalisation de fines couches de l’ordre de
quelques micromètres. La principale méthode est l’anodisation électrochimique qui
permet l’obtention de couches épaisses de silicium poreux et l’accès à un large
éventail de morphologies. Cette méthode a été utilisée pour ce travail et sa mise en
œuvre est décrite dans ce chapitre.
Chapitre II – Le silicium poreux : fabrication et applications aux microsystèmes fluidiques
50
1 Elaboration de couches de silicium poreux par
anodisation électrochimique
1.1 Anodisation électrochimique
La nanostructuration du silicium poreux est réalisée par gravure électrochimique du
silicium dans un électrolyte à base d’acide fluorhydrique (HF). Les Figure 15 et 16
représentent respectivement les cellules d’anodisation « simple bain » et « double
bain » pour la fabrication du silicium poreux. Dans la cellule « simple bain », une
face de la plaquette de silicium est en contact avec une anode de cuivre et l’autre
face avec un électrolyte dans laquelle plonge une électrode de platine ou d’or
(cathode). Dans la cellule « double bain », les deux faces sont en contact avec des
électrolytes dans lesquelles plongent deux électrodes. L’établissement d’un courant
entre les deux électrodes déclenche le processus d’anodisation.
i
Anode (cuivre)Plaquette de silicium
Joint (Vitton ®)
Cathode (or / platine)Electrolyte (HF:éthanol)
Figure 15. Schéma d'une cellule d'anodisation
« simple bain » avec contact métallique en face
arrière.
i
Electrodes (or / platine)
Figure 16. Schéma d'une cellule
d'anodisation « double bain » avec
contact liquide sur les deux faces.
L’électrochimie de la dissolution du silicium reste sujette à interprétations et
plusieurs théories ont été avancées [57]. Lehmann et Gösele proposent le
mécanisme détaillé sur la Figure 17 [58] : La réaction électrochimique de
dissolution du silicium monocristallin est contrôlée par les énergies des liaisons en
jeu, la plus forte étant celle de la liaison Si-F. La dissolution est initiée par la
polarisation qui induit l’arrivée d’une charge positive polarisant la liaison Si-H. La
présence d'un ion fluor provoque la rupture de cette liaison Si-H et la formation
d’une liaison Si-F (A).
Chapitre II – Le silicium poreux : fabrication et applications aux microsystèmes fluidiques
51
La polarisation induite par cette première liaison entraîne une deuxième
substitution d’un atome d'hydrogène par un ion fluore avec la production d'une
molécule de dihydrogène et l’injection d'un électron dans l'électrode (B/C). Les
liaisons Si-F étant plus fortement polarisées, les liaisons Si-Si sont fragilisées et
attaquées par l’acide fluorhydrique ou l’eau entraînant la libération d’une molécule
de SiF4 et la passivation de la surface par des atomes d’hydrogène (D/E). La
surface est à nouveau passivée par des liaisons Si-H. La surface est donc
alternativement recouverte d'atomes d'hydrogène et de fluor.
Figure 17. Mécanisme de dissolution du silicium poreux dans l'acide fluorhydrique,
selon [58].
Ce mécanisme entraîne la production de la molécule SiF4 laissant à la surface une
lacune de la taille d’un atome de silicium. La nouvelle topographie de la surface
influence la répartition du champ électrique local. Les trous migrent
préférentiellement au niveau des inhomogénéités et ainsi amorcent la formation
des pores en favorisant une gravure localisée à ces zones (Figure 18). Les flans
des pores sont passivés par des liaisons Si-H qui sont faiblement polarisées et donc
insensibles à l’attaque des ions fluores. Une zone de charge d’espace (ZCE) se crée
à l’interface silicium / électrolyte, sur les flans des pores passivés. L’épaisseur de
cette zone de déplétion dépend du dopage du silicium.
Chapitre II – Le silicium poreux : fabrication et applications aux microsystèmes fluidiques
52
électrolyte
F-
F-
F-
++ +
ZCE
F-
F-
F-
+ ++
a) b)
Duréed’anodisation
Figure 18. Propagation d’un pore lors de
l’anodisation électrochimique :
a) Amorçage d’un pore au niveau d’une
inhomogénéité,
b) Propagation du pore.
Les caractéristiques morphologiques du silicium poreux telles que la porosité, la
taille des pores et des cristallites ou encore l’épaisseur de la couche poreuse, sont
contrôlées par les paramètres d’anodisation. La nature du substrat (type, niveau de
dopage, orientation cristalline), la densité de courant, la composition de l’électrolyte
ou encore l’illumination sont les principaux paramètres qui influencent la gravure
électrochimique du silicium.
1.2 Paramètres d’anodisation
1.2.1 Nature du substrat
Les différents types de morphologie du silicium poreux sont contrôlées et classifiées
selon le type de dopage et la résistivité du substrat mais aussi selon les conditions
d’illumination (Figure 19).
a)
b) 170µm
c)
Figure 19. Clichés de microscopie électronique à balayage de différentes morphologies de
couches poreuses : a) Silicium nano-poreux (type p), selon [59], b) Silicium méso-poreux
(type p+), selon [60], c) Silicium macro-poreux (type n, éclairé en face arrière), selon [61].
Chapitre II – Le silicium poreux : fabrication et applications aux microsystèmes fluidiques
53
L’anodisation du silicium dopé p, dont la résistivité est supérieure ou égale à
1 Ω.cm, génère un réseau de nanocristallites interconnectées de manière aléatoire
dont le diamètre est compris entre 1 et 5 nm Les pores sont de taille comparable à
celle des nanocristallites. On obtient ainsi du silicium nano-poreux représenté sur la
Figure 19 a.
Comme la taille des pores augmente avec le niveau de dopage, la microstructure du
silicium poreux préparé à partir d’un substrat de type p+ (résistivité
ρ ~ 10-3 -10-2 Ω.cm) est constituée par un réseau de cristallites de tailles
nanométriques ayant un diamètre moyen compris entre 10 et 100 nm, séparées
par des pores de dimensions équivalentes. Les pores se propagent de manière
anisotrope dans une direction privilégiée et présentent de multiples ramifications
annexes. On obtient du silicium méso-poreux illustré par la Figure 19 b.
En ce qui concerne le substrat de type n (ρ ~ 1 Ω.cm), la morphologie du silicium
poreux dépend fortement de l’éclairement au cours de l’anodisation.
En absence d’éclairement, l’interface silicium / électrolyte est un
contact Schottky polarisé en inverse. Un faible nombre de porteurs
s’accumulent au fond des pores et une gravure fortement anisotrope
perpendiculaire à la surface du silicium est amorcée. Un réseau de
cristallites de dimensions comprises entre 0,1 et 1 µm est ainsi formé.
Le matériau obtenu est le silicium macro-poreux, représenté sur Figure
19 c.
Si on éclaire une des faces de la plaquette de silicium, des paires
électron / trou sont générées dans le substrat et affectent le caractère
anisotrope de la gravure. Une couche de faible épaisseur de silicium
nano-poreux est formée en surface. Au-delà de quelques centaines de
nanomètres, des macro-pores se forment.
1.2.2 Densité de courant
La densité de courant d’anodisation du silicium est un paramètre essentiel pour le
contrôle de la morphologie du silicium poreux. Pour une concentration d’acide
fluorhydrique donnée, la porosité22 et la vitesse de gravure augmentent avec la
densité de courant (Figure 20).
22 Calcul de la porosité en annexe 1.
Chapitre II – Le silicium poreux : fabrication et applications aux microsystèmes fluidiques
54
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Densité de courant (mA/cm²)
Poro
sité
(%)
0
5
10
15
20
Vite
sse
de g
ravu
re
(µm
/min
)
Figure 20. variation de la porosité et de la vitesse de gravure en fonction de la densité de
courant d’anodisation (courant continu, silicium monocristallin (100), dopé p+, électrolyte
(1:1) : HF (48%): éthanol).
L’interface silicium / électrolyte peut être représentée comme un contact Schottky
en série avec la résistance de l’interface. Comme nous l’avons vu dans le modèle de
Lehmann et Gösele, une zone de charge d’espace dont l’épaisseur dépend du
dopage du substrat est présente tout le long de l’interface et son épaisseur est
fonction du dopage du substrat.
Il existe deux principaux régimes de courant d’anodisation qui sont fonction de la
valeur de la densité de courant :
Le régime de nano-structruration : Pour une faible densité de courant,
le nombre d’ions fluor à la surface est supérieur à celui des trous. Les
trous peu nombreux s’accumulent préférentiellement au fond des pores
sous l’action du champ électrique local plus élevé. La gravure est alors
prépondérante au fond des pores (Figure 21 a). Pour une densité de
courant plus élevée, la résistance de l’interface diminue et une plus
large surface des pores est polarisée en direct favorisant une gravure
latérale plus importante et par conséquent un accroissement de la
porosité (Figure 21 b).
Le régime d’électropolissage : Au-delà d’un certain seuil de courant, la
dissolution anodique est contrôlée par la densité de charges fournies
par le substrat et non plus par la diffusion des espèces ioniques de
l’électrolyte. Les trous migrent sur toute la surface du silicium et la
dissolution est alors tétravalente et non plus divalente comme dans le
régime de nanostructuration. Les ions fluors sont attirés
Chapitre II – Le silicium poreux : fabrication et applications aux microsystèmes fluidiques
55
préférentiellement au niveau des défauts de la surface sous l’action
d’effets de pointe du champ électrique, tendant à graver ces aspérités
et ainsi à lisser la surface du substrat (Figure 21 c).
Comme l’illustre la Figure 22, la frontière en terme de densité de courant entre ces
deux régimes d’anodisation dépend de la concentration en HF.
Sens de la gravure
a) b) c)électrolyte
F-
F-
F-
F-
F-
F-
F-
F-
F-
F-
F-
F-
++
+ ++
++ + +
+
+
+
++
+ + ++
+
+
++
++ + ++
++ + ++ ++ +
F-
F-F-
Densité de courantFormation du silicium poreux Electropolissage
Figure 21. Influence de la densité de courant sur les régimes d'anodisation : a) Faible
densité de courant : gravure localisée au fond des pores, b) Moyenne densité de courant :
élargissement des pores, c) Forte densité de courant : régime d’électropolissage.
5 10 15 20 25 30 35
20
40
60
80
100
formation du silicium poreux
électropolissage
dens
ité d
e co
uran
t (m
A/c
m²)
% (HF)
Figure 22. Régimes de gravure : nanostructuration ou électropolissage
du silicium poreux, selon [64].
1.2.3 Composition de l’électrolyte
L’acide fluorhydrique composant l’électrolyte est initialement en dilution dans l’eau
à hauteur de 48% maximum. Le silicium étant un matériau hydrophobe, le HF
« pur » ne pénètre pas dans les pores initiés. Ainsi l’adjonction d’un agent mouillant
Chapitre II – Le silicium poreux : fabrication et applications aux microsystèmes fluidiques
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est indispensable pour favoriser la pénétration de l’électrolyte dans le réseau de
pores. L’éthanol est le plus couramment utilisé car il mouille parfaitement la surface
du silicium.
Pour une même densité de courant, la porosité décroît lorsque la proportion de HF
augmente dans l’électrolyte. Pour une faible concentration en HF, la quantité d’ions
fluor participant à la gravure est limitée et induit ainsi une gravure lente favorisant
une propagation latérale plutôt isotrope des pores et donc leur élargissement
(Figure 23 a). Tandis que pour une concentration en HF forte, la gravure est
rapide, ce qui favorise une croissance anisotrope des pores par une gravure au fond
des pores. En terme de porosité, la couche constituée de pores filiformes est moins
poreuse que celle ayant des pores « arrondis » (Figure 23 b).
F-
F-
F-
F-
F-
F-
++
+ ++
+
Sens de la gravure
a) b)électrolyte
F-F-F- F-
F-
F-+
++
+ +
+
Figure 23. Morphologie de la couche de silicium poreux pour une densité de courant
constante : a) avec une forte [HF] : gravure anisotrope au fond des pores, b) avec une
faible [HF] : gravure isotrope des pores.
1.3 Anodisation en régime continu ou pulsé
Une augmentation de la porosité avec la profondeur de gravure est rapportée dans
la littérature [62, 63]. Ce phénomène est accompagné d’un changement de la
structure des pores. Ils sont étroits avec une pointe fine en début d’anodisation
tandis qu’ils s’élargissent avec une pointe ronde quand la profondeur de gravure
augmente. Cet effet peut être attribué à la diminution de la concentration en HF de
l’électrolyte au fond des pores, causée par la difficulté de diffusion des ions F- à
travers la couche poreuse.
La mise au point d’un procédé adapté à la réalisation de couches épaisses de
silicium poreux sans gradient de porosité a été mise au point par des études
précédentes réalisées au laboratoire [64, 65]. Cette optimisation passe par
Chapitre II – Le silicium poreux : fabrication et applications aux microsystèmes fluidiques
57
l’introduction d’un temps de repos à courant nul en cours de gravure afin de
permettre la restauration de la concentration de l’électrolyte au fond des pores.
La spectrométrie micro-Raman permet de contrôler l’homogénéité de la couche
poreuse dans sa profondeur par la détermination localisée23 de la taille des
cristallites dans l’épaisseur d’une couche de silicium poreux (voir encart, Figure
24). Pour une anodisation en courant continu, une diminution importante de la
taille des cristallites a été constatée (Figure 24,♦) (type p+, HF : éthanol (1:1),
j = 75 mA.cm-2) [64]. Pour une séquence d’anodisation constituée d’un temps
d’attaque de deux secondes et d’un temps de repos, à courant nul, de deux
secondes, la taille des cristallites reste constante (Figure 24,o) [64].
Cette précédente étude est validée par de nouvelles mesures Raman, effectuées
dans le cadre de ce travail, réalisée dans l’épaisseur d’une couche poreuse
d’épaisseur 100 µm et de porosité 60%, fabriquée par anodisation pulsée 2 s /2 s
(Figure 24, x) (résistivité ρ = 10-20 mΩ.cm, HF : éthanol (1:1), j = 150 mA.cm-2).
La couche poreuse est bien homogène en profondeur et possède des cristallites
dont la taille moyenne est de 10 µm.
5
6
7
8
9
10
11
12
13
0 50 100 150 200 250 300
Profondeur (µm)
Taill
e cr
ista
llite
s (n
m)
courant continu courant pulsé (2s/2s)courant pulsé (2s/2s) [ce travail]
clivage
p=0 µm
p=100 µmSiPSi
Figure 24. Distribution de la taille des cristallites dans la section d’une couche de silicium
poreux en fonction du type d’anodisation (pulsée ou continue). Encart : schéma de la
méthode de mesure micro-Raman dans l’épaisseur d’une couche poreuse.
23 Taille de sonde 5 µm
Chapitre II – Le silicium poreux : fabrication et applications aux microsystèmes fluidiques
58
2 Intégration du silicium poreux dans des
microsystèmes fluidiques
2.1 Micro-capteurs
Peu de publications concernent l’utilisation du silicium poreux dans les laboratoires
sur puces. L’étude de ses propriétés spécifiques, de son intégration et de son
utilisation dans les micro-capteurs permet de mettre en évidence les avantages et
les contraintes que ce matériau présente pour les laboratoires sur puce.
Le silicium poreux est d’un grand intérêt pour le domaine des capteurs du fait de la
grande surface de contact dont il dispose pour l’interaction entre stimulus et partie
sensible. Ainsi, il est utilisé comme élément sensible pour des capteurs de gaz [66,
67 et 68], d’humidité [69], biologiques (enzymatique [70, 71 et 72]), chimiques
[73, 74 et 75] et immunologiques [76, 77]. Des variations de capacité [78] ou de
résistivité de la couche de silicium poreux, ou des mesures optiques par
interférométrie (Fabry-Perot) [79] ou par réflectivité [73] permettent la détection.
Un biocapteur à effet de champs sensible à la pénicilline est réalisé par Thust et al.
[80]. Des molécules de pénicillase (enzyme sensible à la pénicilline) en solution
aqueuse sont adsorbées dans une couche de silicium poreux oxydé. Une variation
de la caractéristique capacité-tension en présence de pénicilline permet d’en
déterminer la concentration.
Le développement d’un capteur opto-chimique par l’équipe de L. De Stefano est
très intéressant du point de vue de l’intégration du silicium poreux dans un
microsystème fluidique complet [74]. En effet, ce travail présente une étude sur les
conditions de collage anodique silicium poreux / verre qui représente une étape
importante dans la fabrication de microsystèmes devant fonctionner en milieu
confiné et/ou sous pression (sans fuite). La présence d’acétone (gaz et liquide) est
détectée par mesure de réflectivité du silicium poreux à travers le pyrex.
Yakovleva et al. [76] développent un immuno-capteur basée sur la réaction
d’affinité entre les protéines G ou A, attachées de manière covalente au silicium
poreux, et un immuno-complexe composé par l’anticorps anti-atrazine et l’atrazine
Chapitre II – Le silicium poreux : fabrication et applications aux microsystèmes fluidiques
59
auquel est greffée une enzyme HRP24 pour la détection par chemiluminescence. Cet
immuno-capteur est constitué de 42 canaux à fort facteur d’aspect
(profondeur = 235 µm, largeur = 25 µm) porosifiés en surface et fermés avec du
pyrex par collage avec une membrane de colle silicone. La détermination de la
quantité d’atrazine est réalisée par la mesure de l’émission de l’oxydation
chémiluminescente du substrat catalysé par l’enzyme HRP.
L’utilisation de micro-réacteurs enzymatiques, réalisés par greffages d’enzymes
(digestion de protéines) à la surface du silicium poreux, pour l’étude et/ou la
quantification de protéines est largement citée dans la littérature. Le groupe de
Thomas Laurell s’intéresse à ce type de réacteur pour diverses applications [81].
Pour la mesure de glucose en continu (diabète), par exemple, l’enzyme glucose
oxydase est greffée à la surface du silicium poreux et le produit de la digestion du
glucose dans le réacteur est analysé en ligne [70].
2.2 Laboratoires sur puce
Comme le mentionnent Y. Fintscheenko et A. van den Berg [82], ce dernier étant
responsable éditorial de la thématique µTAS25 du journal Sensors and Actuators B,
le silicium poreux est une solution intéressante pour la fabrication de
microsystèmes dédiés à la séparation. On ne dénombre cependant que deux
équipes de recherche s’intéressant à l’utilisation du silicium poreux comme phase
stationnaire dans les lab-on-chip.
A. Ohji et al. fabriquent un réseau de macro-pores de diamètres 2 à 4 µm ordonnés
par une gravure de petites pointes permettant d’initier localement l’anodisation
électrochimique [83]. La couche est ensuite oxydée et plongée dans une solution de
gravure du silicium. Les piliers d’oxyde obtenus sont représentés dans la Figure
25. Ces micro-piliers de silicium macro-poreux oxydé sont positionnés dans un
canal fermé par collage anodique et peuvent être utilisés comme phase
stationnaire.
24 horseradish peroxidase 25 Micro Total Analysis Systems
Chapitre II – Le silicium poreux : fabrication et applications aux microsystèmes fluidiques
60
Figure 25. Micro-piliers de silicium macroporeux oxydé : a) vue de coté, b) vue de dessus.
Seul l’équipe de G. Desmet développe un système complet de chromatographie
[84]. Il s’agit de chromatographie liquide par cisaillement. Il comprend un canal
ouvert dont les parois poreuses sont fonctionnalisées par silanisation avec des
molécules de type C18 et d’une plaque de verre mobile qui ferme le canal et
entraîne le liquide par coulissement à vitesse maîtrisée. La couche poreuse d’une
épaisseur de 200 nm et de porosité 84% contient des pores dont le diamètre est
compris entre 5 et 20 nm. La profondeur du canal est de 140 nm pour une largeur
de 740 µm. La solution à séparer est composée de deux teintures Coumarin (C440
et C450) de concentration 2.5x10-3 mol.l-1 dans du méthanol. La couche poreuse
ayant une surface trente fois supérieure à celle des parois lisses, la masse chargée
de la colonne et donc la capacité de rétention des molécules dans la colonne et la
sensibilité de détection augmentent également d’un facteur trente. Les temps de
séparation varient de 1,3 à 0,6 secondes pour des vitesses d’écoulement
respectives de 2 et 4 mm.s-1. En ce qui concerne la hauteur équivalente en
plateaux théoriques, il peut atteindre 0,5 µm pour une vitesse de phase mobile
entre 3 et 5 mm.s-1.
2.3 Membranes poreuses
On dénombre plusieurs travaux sur l’étude de l’intégration du silicium macro-
poreux dans des microsystèmes fluidiques. Le domaine des capteurs et réacteurs
chimiques est un domaine de recherche qui joue un rôle important pour le
développement de membranes [85]. La réalisation de filtres à particules pour des
gaz ou des liquides [86, 87, 88 et 89] et de membranes pour des séparations bio-
sélectives [90] constituent d’autres domaines de recherche. L’étude bibliographique
Chapitre II – Le silicium poreux : fabrication et applications aux microsystèmes fluidiques
61
présentée ci-dessous regroupe les travaux concernant la conception et les
applications de membranes en silicium poreux.
Une membrane en silicium poreux est développée comme capteur de gaz pour la
détection de monoxyde de carbone (CO) [85]. Le silicium macro-poreux est préféré
pour cette application car les pores larges et ramifiés permettent un écoulement
turbulent qui améliore la réaction de conversion du gaz de CO à CO2. Une couche
de Palladium de 700 nm d’épaisseur est déposée sur la membrane de 80 µm
d’épaisseur et joue le rôle d’agent catalytique.
Des matrices ordonnées en silicium macro-poreux avec des réseaux de méso-pores
collatéraux sont fabriquées par V. Lehmann [91]. Le silicium méso-poreux doit
servir de phase stationnaire pour la chromatographie ou comme site
d’immobilisation / réaction pour la synthèse chimique. Le fait que la distance entre
le canal de circulation du fluide et le site de réaction soit très faible (< 1 µm)
représente le principal intérêt de ce réseau. Pour réaliser de telles ramifications sur
les macro-pores, un dopage local des parois est nécessaire et doit être suivi d’une
seconde anodisation.
Le groupe de Paul L. Bergstrom de l’université technologique du Michigan, exploite
les propriétés du silicium macro-poreux comme matériau de pompage pour des
pompes électro-osmotiques intégrées sur puce [92], comme source de vapeur
d’eau pour la calibration des systèmes chromatographiques [93], ou encore comme
filtre à particules pour la protection de systèmes de chromatographie gazeuse [86,
87]. Ce filtre à particules est constitué par une membrane poreuse de 10 µm
d’épaisseur dont les macro-pores sont interconnectés et ont un diamètre moyen de
1 µm. Les interconnections permettent de filtrer 100% des particules dont le
diamètre est compris entre 0,3 et 1 µm tout en ayant une faible chute de pression
au niveau de la membrane.
S. E. Létant et al. du laboratoire de science et chimie des matériaux de Livermore
(USA), mènent des recherches sur la chimie de surface du silicium poreux pour
diverses applications [72] dont la filtration bio-spécifique d’une solution biologique
[90]. Cette filtration est basée sur l’interaction spécifique du couple
biotine / streptavidine. Une membrane macro-poreuse dont le diamètre des pores
est de 2 µm est fonctionnalisée par des molécules de biotine. Cette membrane
permet non seulement la filtration stérique de molécules dont le diamètre est
supérieur à 0,5 µm mais aussi la rétention de 40% des microsphères de
Chapitre II – Le silicium poreux : fabrication et applications aux microsystèmes fluidiques
62
polystyrène (∅ = 200 nm) fonctionnalisées par des molécules de streptavidine
(107 microsphères/mL dans une solution d’eau et de surfactant).
Les seuls travaux concernant la filtration d’un échantillon liquide sont effectués par
S. Franssila et al. du centre technologique de l’université d’Helsinki [89]. Une
membrane macro-poreuse (∅pores = 1 µm) permet le filtrage d’une solution
contenant 5x107 particules/mL de microsphères fluorescentes de polystyrène de
diamètre 1,1 µm et une teinture coumarin fluorescente (petite molécule organique).
La phase liquide circule à travers la membrane avec un débit de 1 µL.min-1. Les
microsphères sont retenues en amont de la membrane tandis que la phase liquide
la traverse.
Chapitre II – Le silicium poreux : fabrication et applications aux microsystèmes fluidiques
63
Conclusion
La nanostructuration du silicium apporte de nouvelles perspectives pour son
utilisation dans les microsystèmes séparatifs. Ses propriétés morphologiques et
physico-chimiques sont le moteur de l’apparition de nouvelles fonctions dans les
laboratoires sur puce sur silicium.
Ces propriétés sont liées aux trois principaux paramètres qui caractérisent le
silicium poreux :
La taille des pores comprise entre quelques nanomètres et quelques
dizaines de micromètres,
La porosité comprise entre 20 et 90%,
La surface spécifique qui peut atteindre jusqu’à 800 m².cm-3.
La possibilité de contrôler et d’optimiser ces paramètres en agissant sur les
conditions d’anodisation électrochimique (concentration de HF, densité de courant,
régime pulsé ou continu et temps d’anodisation) permet la réalisation d’un matériau
adaptable à un laboratoire sur puce spécifique pour la préparation et/ou l’analyse
d’échantillons biologiques ou chimiques.
L’intégration du silicium poreux dans des dispositifs microfluidiques est présentée
dans les chapitres suivants.
Annexes
64
Annexes
65
Bibliographie
66
Bibliographie
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