Upload
duongkhuong
View
213
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 2G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 2
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
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 3G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 3
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
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 4G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 4
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
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 5G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 5
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
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 6G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 6
«« 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 ……
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 7G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 7
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
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 8G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 8
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
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 9G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 9
Positionnement “bioinspiré” de nanotubes de carbonePositionnement “bioinspiré” de nanotubes de carbone
SWCNsSWCNs
NanowiresNanowires
Hybridation Hybridation CC--MOSMOS
Surface Surface patterningpatterning,,& & graftinggrafting,,
SelfSelf--positionningpositionning
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).
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 10G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 10
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
Surface Surface patterningpatterning,,& & graftinggrafting,,
SelfSelf--positionningpositionning
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
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 11G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 11
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).
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 12G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 12
Pourquoi des Pourquoi des nanobiocapteursnanobiocapteurs ??
• Fabrication Bottom up
• « Voir » dans le in vivo
• Forte sensibilité de détection
• Évènement unique
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 13G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 13
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
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 14G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 14
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).
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 15G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 15
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.
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 16G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 16
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
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 17G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 17
Capteurs spécifiques à NTCs 2Capteurs spécifiques à NTCs 2--DDH. Dai et al., PNAS, 100, 4984 (2003H. Dai et al., PNAS, 100, 4984 (2003))
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 18G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 18
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+
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 19G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 19
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
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 20G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 20
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
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 21G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 21
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
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 22G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 22
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..
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 23G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 23
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
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 24G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 24
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.
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 25G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 25
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).
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 26G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 26
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 !
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 27G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 27
RemerciementsRemerciements
mmTTnnObservatoire des Micro et Nanotechnologies
mmTTnnObservatoire des Micro et Nanotechnologies
Groupe Electronique MoléculaireGroupe Electronique Moléculaire
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 28G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 28
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
G. Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences 29G. G. Bidan 23 mai 2005Bidan 23 mai 2005Molecules &nanosciences Molecules &nanosciences 29
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).