graphene optomechanics for next generation NEMS-based mass sensing

La spectrométrie de masse (MS) est un outil essentiel pour analyser les compositions chimiques et obtenir des informations structurelles des biomolécules. Sa sensibilité et sa polyvalence la rendent précieuse en protéomique, en analyse environnementale, en pharmaceutique et en diagnostic clinique. Cependant, la MS traditionnelle rencontre des difficultés lorsqu'il s'agit d'analyser des biomolécules grandes et complexes dans la gamme de masse allant du kDa au GDa, nécessitant soit des approches de type "bottom-up", impliquant une analyse complexe des données des biomolécules fragmentées, soit des approches "top-down" visant à préserver l'intégrité des biomolécules.L'émergence de la spectrométrie de masse par systèmes nanoélectromécaniques (NEMS-MS) représente une approche potentiellement révolutionnaire pour la MS "top-down", permettant une mesure en temps réel et haute résolution des masses neutres en suivant le décalage de fréquence mécanique lorsqu'une particule massive se dépose sur un résonateur NEMS. Grâce à cette technique, notre système NEMS-MS à base de silicium a atteint une résolution de masse de l'ordre de plusieurs centaines de kDa et a été validé expérimentalement pour mesurer avec précision les masses de divers types de biomolécules dans la gamme MDa à GDa. Cependant, des améliorations supplémentaires en termes de résolution et de sensibilité pour nos dispositifs en silicium nécessitent de réduire la taille des résonateurs, ce qui pose des défis en termes de fabrication et diminue l'efficacité de capture.Le graphène et les nanotubes de carbone (CNT) offrent des solutions potentielles grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques et à leur épaisseur minimale. Les CNT ont déjà établi des records de résolution de masse, mais leur petite surface de capture limite les applications pratiques. Le graphène, avec sa plus grande surface, pourrait être un candidat plus approprié et représenter la limite ultime en termes d'épaisseur par rapport à la surface de capture. La détection du mouvement d'une membrane de graphène à un seul atome d'épaisseur reste difficile avec les méthodes de transduction traditionnelles utilisées pour les résonateurs NEMS. Cependant, la transduction optomécanique se révèle prometteuse comme schéma sensible pour suivre les résonateurs en graphène. De plus, elle est compatible avec la fabrication CMOS et peut être facilement intégrée dans les systèmes NEMS-MS.Cette thèse propose un schéma de transduction optomécanique entièrement intégré pour les résonateurs en graphène, compatible avec les NEMS-MS. Le travail couvre l'ensemble du processus de développement, de la modélisation théorique et la conception du système à la fabrication et la validation expérimentale. La thèse se termine par une discussion des contributions scientifiques apportées et des pistes de recherche futures.