Molécules & Nanoélectronique: La fonctionnalisation …inac.cea.fr/Phocea/file.php?file=Seminaires/284/t284_1.pdf · G. Bidan 23 mai 2005 Molecules &nanosciences . 2. G. Bidan 23

G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 1G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 1

Molécules & Nanoélectronique:Molécules & Nanoélectronique:La fonctionnalisationLa fonctionnalisation

des nanodes nano--objetsobjets


1 1 –– Les raisons, Chimtronique, ……Les raisons, Chimtronique, ……

2 2 –– Ce dont je ne parlerai pas!Ce dont je ne parlerai pas!

3 3 –– La fonctionnalisationLa fonctionnalisationLes nanotubes de carboneLes nanotubes de carboneLes nanofils semiconducteursLes nanofils semiconducteurs

4 4 -- ConclusionsConclusions


AngströmAngström

CentimeterCentimeter

Herpes virusHerpes virus125 nm125 nm

Red BloodCell 5 µm

InterconnectionIntegrated

Circuit; 1-10 µm

IntegratedCircuit; 1 cm2Micro-system

10-100µm

UltimateTransistor

20 nm width

Pollen≈10-20µm

TopTop

DownDown

CiselageCiselage

BottomBottom

UpUp

AssemblageAssemblage


La nouvelle “boite à outils”La nouvelle “boite à outils”

Nouveaux Outils pour :Nouveaux Nouveaux Outils pour :Outils pour :

PréparationManipulationAssemblageétude/dispositifs

PréparationPréparationManipulationManipulationAssemblageAssemblageétude/dispositifsétude/dispositifs

Nouveaux objetsNouveaux Nouveaux objetsobjets

Nouveauxconcepts ?NouveauxNouveauxconcepts ?concepts ?

Molecule/moleculeinteractionsSurface/moleculeinteractionsModélisation

Molecule/moleculeMolecule/moleculeinteractionsinteractionsSurface/moleculeSurface/moleculeinteractionsinteractionsModélisation Modélisation

- Chimie supramoléculaire- Barrière de recouvrement Schottky orbitalaire

- Energie de bande Homo-Lumo- Blocage de Coulomb états redox

-- Chimie supramoléculaireChimie supramoléculaire-- Barrière de Barrière de recouvrement recouvrement SchottkySchottky orbitalaireorbitalaire

-- Energie de bandeEnergie de bande HomoHomo--LumoLumo-- Blocage de CoulombBlocage de Coulomb éétats redoxtats redox


Programme Programme ChimtroniqueChimtronique

MoléculesConjuguées et métallées

Nanofilssemiconducteurs

Nanotubesde carbone

Bio-nanoéléctronique, circuits neuronaux moléculaires

Transistors Diodes, jonctionsémissives

Mémoires & photoswitchsmoléculaires

AutoAuto--organisationorganisation ::Ordre moléculaire et organisation supramoléculaireOrdre moléculaire et organisation supramoléculaire

AutoAuto--assemblage assemblage

Simulation quantiqueSimulation quantiqueModélisation & architecturesModélisation & architectures

Hybridation CMOSHybridation CMOS


«« NanoBionics brainNanoBionics brain »»

Manuel de Manuel de ChimtroniqueChimtronique !!

Une pincée de Une pincée de nanotubesnanotubesde carbone, 3 cuillérées dede carbone, 3 cuillérées degraines de quantum dotsgraines de quantum dots

Un dé deUn dé devirus gloutons, unvirus gloutons, un

soupçon d’ADN, … soupçon d’ADN, …

Salle blanche 2020Salle blanche 2020

BioBio--assemblumassemblum,,SupramolécularumSupramolécularumElectronicum Electronicum ……


Molécules et Molécules et nanoélectronique: électronique Hybridenanoélectronique: électronique HybrideConjugatedConjugated

& & MetallatedMetallatedMoleculesMolecules

FunctionalizationFunctionalizationofof nanonano--objectsobjects, ,

addressingaddressing

Hybridation Hybridation CC--MOSMOS MemoriesMemories

PhotoswitchPhotoswitch,,(bio)(bio)SensorsSensors

Supramolec

ular

Supramolec

ular

chemistr

y

chemistr

y

ππ--stacking

stacking, , --H

, H, dipolardipolarSAMsSAMs,, Self Self repairingrepairing,,

SupramolecularSupramolecularorganizationorganization

11

SWCNsSWCNs

NanowiresNanowires

22

Surface Surface patterningpatterning,,& & graftinggrafting,,

SelfSelf--positionningpositionning

33


Assemblage/organisation/visualisationAssemblage/organisation/visualisation

ouvertedécalée

SS

S SS

NN

H2N

H2N

Me

Me

Me

OHN

O

O

NH

S. GuillerezS. Guillerez

8.8nm

M1

3OT-F-3OT

M. Brun; B. Grévin; R. demadrilleM. Brun; B. Grévin; R. demadrille

Structure M. RobitzerM. Robitzer

Hybridation Hybridation CC--MOSMOS

SAMsSAMs,, Self Self repairingrepairing,,SupramolecularSupramolecular

organizationorganization

11


Positionnement “bioinspiré” de nanotubes de carbonePositionnement “bioinspiré” de nanotubes de carbone

SWCNsSWCNs

NanowiresNanowires

Hybridation Hybridation CC--MOSMOS



33

100nm100nm

300nm300nm

(i) Polymérisation de la RecA

(ii) Recombinaison homologue

(iii) Positionnement d’un NTC par des anticorps

(iv) La RecA protège contre le dépôt d’argent

(v) Métallisation par l’or

NTC décoréStreptavidine

+

“DNA-templated carbon nanotube field-effect transistor, K. Keren, R. Berman, E. Buchstab, U. Sivan and E. Braun, Science, 302, 1380-1382 (2003).


ConjugatedConjugated& &

MetallatedMetallatedMoleculesMolecules

FunctionalizationFunctionalizationofof nanonano--objectsobjects, ,

addressingaddressing

Hybridation Hybridation CC--MOSMOS MemoriesMemories

PhotoswitchPhotoswitch,,(bio)(bio)SensorsSensors

Supramolec

ular

Supramolec

ular

chemistr

y

chemistr

y

ππ--stacking

stacking, , --H

, H, dipolardipolarSAMsSAMs,, Self Self repairingrepairing,,

SupramolecularSupramolecularorganizationorganization

11

SWCNsSWCNs

NanowiresNanowires

22



33

Molécules et Molécules et nanoélectronique: électronique Hybridenanoélectronique: électronique HybrideBistabilitBistabilitééredoxredox

MoteurMoteurmolmolééculaireculaire

PhotosensiblePhotosensible

(bio)recon(bio)recon--naissancenaissance

MMéémoire moire ZettacoreZettacore

MMéémoire HPmoire HP

Photoswitch,Photoswitch,Transducteur Transducteur optique optique

NanobiocapteurNanobiocapteur


La fonctionnalisation des NTCsLa fonctionnalisation des NTCs

E

CB

D

F

A

a

c

d

b

a NTC

Functionalization of single-walled carbon nanotubes”, A. Hirsch, Angew. Chem. Int. Ed., 41, 1853-1859 (2002)

“Covalent surface chemistry of single-walled carbon nanotubes”, S. Banerjee, T. Hemraj-Benny and S. Wong, Adv. Mat., 17, 17-29 (2005).


Pourquoi des Pourquoi des nanobiocapteursnanobiocapteurs ??

• Fabrication Bottom up

• « Voir » dans le in vivo

• Forte sensibilité de détection

• Évènement unique


NTC simple paroi et NTC simple paroi et nanobiotechnanobiotech

La configuration 2-DLa configuration 2-D

BBBBBB

La configuration ChemFETLa configuration ChemFET

A

Pyrène

Glucose oxydase

La configuration « tapis brosse »La configuration « tapis brosse »

AAAAAAAA


NanoChemFET à glucoseNanoChemFET à glucose

“Enzyme-coated carbon nanotubes as single-molecule biosensors”, K; Besteman, J.-O. Lee, F. Wiertz, H. Heering and C. Dekker, Nanoletters, 3, 727-730 (2003).


Nanomatrice à ADNNanomatrice à ADN“Electrically addressable biomolecular functionalization of carbon nanotube and carbon nanofiber electrodes”; C.-S. Lee, S. E. Baker, M. S. Marcus, W. Yang, M. A. Eriksson, R. J. Hamers, Nanoletters, 2004, 4, 1713.


Les atouts des réseaux Les atouts des réseaux 22--DD

“Carbon nanotube networks: nanomaterials for macroelectronic applications”, E. Snow, J. Novak, M. Lay, E. Houser, F. Perkins and P. Cambell, J. Vac. Sci. Technol., B, 22, 1990-1994 (2004).

Infineon, 2004Infineon, 2004Détection du DMMP (diméthyl méthyl phosphonate) sur NTCs 2-D/films sélectifs (FPOL et HC) de 100 nmMobilité: 1-30 cm2/Vs


Capteurs spécifiques à NTCs 2Capteurs spécifiques à NTCs 2--DDH. Dai et al., PNAS, 100, 4984 (2003H. Dai et al., PNAS, 100, 4984 (2003))


Electrochimie sur NTCs 2Electrochimie sur NTCs 2--DD

Electrochemical and conductivity Electrochemical and conductivity measurements of singlemeasurements of single--wall carbon wall carbon nanotube network electrode, T. Day, nanotube network electrode, T. Day, N. Wilson and J. Macpherson, JACS, N. Wilson and J. Macpherson, JACS, 16724 16724 (2004(2004))

5 mM Fe(phen)5 mM Fe(phen)332+2+ et et

5mM Ru(NH5mM Ru(NH33))663+3+


Greffage électrochimique directe sur NTCGreffage électrochimique directe sur NTC

Smalley, R. E.; Tour et al., J. M. J. Am. Chem. Soc. 2001, 103, 6536-6542.

E

CB

D

F

A

a

c

d

b

aNTC

J. Tour et al., JACS, 1326, 11158 (2004)J. Tour et al., JACS, 1326, 11158 (2004)

ACI NACEPACI NACEPM. Billon, B. Jousselme, C. GoyerM. Billon, B. Jousselme, C. GoyerS. Guillerez, M. Mazzanti S. Guillerez, M. Mazzanti X. HugonX. Hugon

2

N

NN

N

NN

Ru

N

NN

O

O

O

O

Eu

O

O

N

O

n

hυ

e-

EE

hυ1N

NN

N

NN

Ru

N

NN

O

O

O

O

Eu

O

O

N

O

n

h

e-

EE

h1

RuRu2+2+

EuEu


Les capteurs à nanofils SCLes capteurs à nanofils SCY. Cui, Q. Wei, H. Park, C. Lieber, « Nanowire nanosensors for highly sensitive and selective detection of biological and chemical species », Science, 293, 1289 (2001)

250 nM250 nM

25 pM25 pM


NanofilsNanofils et et nanobiotechnanobiotech

Détection d’un évènement uniqueDétection d’un évènement unique“Electrical detection of single virus”,C. Lieber et al., PNAS, 101, 14017-14022 (2004).

B


NanofilsNanofils et et nanobiotechnanobiotechScreening de substancesmédicamenteuses

Screening de substancesmédicamenteuses

« Label-free detection of small-molecules-protein interactions by using nanowire nanosensors », C. Lieber et al., PNAS, 102, 3208-3212 (2005).

A

B

Réponse en conductance normalisée du dispositif à nanofilsde Si modifiés par l’abl et mis en présence d‘une solution de 100 nM d’ATP, puis avec ajout de solutions 50 nM des différents inhibiteurs. Afin de corriger les différences de sensibilité absolue des différents dispositifs, les données sont rapportées en DG% ou DG est la différence entre la conductance mésurée et la ligne de base.

A, principe de la détection de l’interaction de l’ATP avec l’Abltyrosine kinase et de la détection de la réactivité d’inhibiteurpar compétitivité ; B, en plus de l’inhibiteur Gleevec, 4 autres composés ont été testés, A1, A2, A3 et la biotine..


NanofilsNanofils et et mémoires moléculairesmémoires moléculaires

Center for Nanotechnologie, NASA Ames“Data storage studies on nanowire transistors with self-assembled porphyrin molecules”, C. Li, B. Lei, W. Fan, D. Zhang, J. Han, M. Meyyappan, M. Thompson and C. Zhou, J. Phys. Chem., 108, 9646-9649 (2004).

Cycle écriture/éfface à 3 bits Cycle écriture/éfface à 3 bits sur Insur In22003,3,. On/Off = 10. On/Off = 1044


Bocian et al. : Zettacore companyBocian et al. : Zettacore companyPropriétés redox :

“Structural and electron-transfer characteristics of O-, S-, and Se-tethered porphyrin monolayers on Si(100)”, A. Yasseri, D.Syomin, R. Loewe, J. Lindsey, F. Zaera and D. Bocian, J. Amer. Chem. Soc., 126, 15603-15612 (2004).

“Structural and electron-transfer characteristics of O-, S-, and Se-tethered porphyrin monolayers on Si(100)”, A. Yasseri, D.Syomin, R. Loewe, J. Lindsey, F. Zaera and D. Bocian, J. Amer. Chem. Soc., 126, 15603-15612 (2004).

Voltampérométrie cyclique de ZnPBzXen monocouche sur Si, à 100 mV. s-1 dans CH2Cl2, 1 M en Nbu4PF6.


Mémoire Multibit (UC Riversides)J. C. Marchon,J. C. Marchon,G. MaheutG. MaheutA.A. CastaingsCastaingsN. DuclairoirN. Duclairoir

B. De Salvo,B. De Salvo,G. DelapierreG. Delapierre

« Multibit memory using self-assembly of mixed ferrocene/porphyrin monolaterson silicon », Q. Li, G. Mathur, S. Gowda, S. Surthi, Q. Zhao, L. Yu, J. Lindsey, D. Bocian and V. Misra., Adv. Mat., 16, 133-137 (2004).

« Multibit memory using self-assembly of mixed ferrocene/porphyrin monolaterson silicon », Q. Li, G. Mathur, S. Gowda, S. Surthi, Q. Zhao, L. Yu, J. Lindsey, D. Bocian and V. Misra., Adv. Mat., 16, 133-137 (2004).


Conclusions

Adapted from Prof. Adapted from Prof. Fabbrizzi Fabbrizzi lecture (Strasbourg, 2004)lecture (Strasbourg, 2004)

DO YOU REALLY PLAN TO IMPLEMENT A ARTIFICIAL NANO-BIO-

ELECTRONICS BRAIN USING A 3-D NETWORK OF DNA/GOLD NANOWIRES CROSSLINKED BY LIVING NEURONS?

I DON’T, HONEY. I HAVE A BETTER IDEA.

1- La nanoélectronique hybride:

Acquérir des connaissances Fondamentales

2- Mettre en oeuvre des systèmes originaux

3 – Les applications ne viendront (sans doute)pas là ou on les attend

Pensons-y quand même !


RemerciementsRemerciements

mmTTnnObservatoire des Micro et Nanotechnologies

mmTTnnObservatoire des Micro et Nanotechnologies

Groupe Electronique MoléculaireGroupe Electronique Moléculaire


Why a bioWhy a bio--mimic approach ?mimic approach ?

ChemicalChemical

AssembliesAssembliesSAMsSAMs, , LbLLbL, , ππ--StackingStackingSupramolecularSupramolecular conceptsconcepts

Motors/actuatorsMotors/actuatorsRotaxaneRotaxane, , CatenaneCatenane, DNA, DNA--basedbased

ReplicationReplicationLimited (Self catalysis, …)Limited (Self catalysis, …)

LegoLego®® boxboxConjugated &/or Conjugated &/or metallated metallated molecules, molecules, CNTsCNTs, , nanowiresnanowires

BioBio--ChemicalChemical

AssembliesAssembliesMembranes, Membranes, cytoskeletoncytoskeleton,,

Virus, … Virus, …

MotorsMotorsMicrotubule/Microtubule/kinesinkinesin

ActinActin//MyosinMyosin, , ATPaseATPase

ReplicationReplication (by essence)(by essence)DNA, DNA, cellscells, virus, living , virus, living speciesspecies

LegoLego®® boxboxDNA, peptides, proteins, virusDNA, peptides, proteins, virus

VersatilityVersatility++

SpecificitySpecificityComplexityComplexitydiversitydiversity


Figure 4 : Les 2 stratégies de fixation de l’ADN : A, liaison amide et B, adsorp-tion du pyrène sont suivies de l’hybrida-tion par un brin complémentaire lié à une nanoparticule d’or de diamètre 10 nm. Les barres d’échelle représen-tent 50 nm.

Figure 4 : Les 2 stratégies de fixation de l’ADN : A, liaison amide et B, adsorp-tion du pyrène sont suivies de l’hybrida-tion par un brin complémentaire lié à une nanoparticule d’or de diamètre 10 nm. Les barres d’échelle représen-tent 50 nm.

« Site-specific assembly of DNA and appended cargo on arrayed carbon nanotubes », B. Taft, A. Lazareck, G. Withey, A. Yin, J. Xu,and S. Kelley, J. Amer. Chem. Soc., 126, 12750-12751 (2004).

Documents

Molécules & Nanoélectronique: La fonctionnalisation …inac.cea.fr/Phocea/file.php?file=Seminaires/284/t284_1.pdf · G. Bidan 23 mai 2005 Molecules &nanosciences . 2. G. Bidan 23