Théorie des plasmons de surface pour la conception et l’optimisation de biocapteurs

Abstract

الملخص (بالعربية) :

في السنوات الأخيرة، تم إنتاج آلاف المنشورات في الفيزياء البلازمية وخاصة في مجال المستشعرات، لتصغيرها وحساسيتها العالية والدقيقة. يهدف هذا العمل إلى تصميم اثنين من أجهزة الاستشعار الحيوية البلازمية نظريًا استنادًا إلى رنين البلازمون السطحي (SPR) وفقا لتكوين Kretschmann، وجهاز استشعار حيوي يعتمد على البلازمونات السطحية لـ Tamm، وهي هياكل يسهل تحقيقها تجريبيًا لأنها تحتوي فقط على معادن نبيلة: ذهب أو فضة ، ترسبت على مناشير زجاجية. لقد درسنا تأثير بعض أنصاف النواقل مثل زرنيخ الألومنيوم الجاليوم (AlxGa1-xAs) أشباه الموصلات الثلاثية (واحدة من أكثر المواد استخدامًا في الإلكترونيك والإلكترونيك الضوئية( ،وكربيد السيليكون (SiC) وهو نصف ناقل يستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيك الضوئية لخصائصه الرائعة ، بلورة فوتونية (، و الفوتون البلوري أحادي الأبعاد (1D) (Al0.9Ga0.1As/SiO2)4، وثنائي كالكوجينيدات معادن الانتقال ثنائية الأبعاد 2D (TMDC) التي تجذب انتباه الباحثين بخصائصها المثيرة للاهتمام والفوسفور الأسود (BP) أو الفوسفورين الذي تم إدراجه مؤخرًا في قائمة المواد ثنائية الأبعاد على البلازمونات السطحية. بالمقارنة مع أعمال أخرى على مستشعرات SPR، تُظهر المحاكاة أن المستشعرات الحيوية التي تمت في هذا البحث حساسيتها ممتازة. جهاز الاستشعار الحيوي الذي يراقب الهيموجلوبين في دم الإنسان لديه حساسية زاوية تبلغ 244°/RIU، والمستشعر الحيوي للخلايا السرطانية لديه حساسية زاوية تبلغ ° / RIU208 في المجال المرئي ، ومستشعر حيوي يعتمد على البلازمون السطحي لـ Tamm ،بحساسية طيفية جد عالية°/RIU 105 في مجال الأشعة تحت الحمراء القريبة. قيم ممتازة لهياكل بسيطة واقتصادية. تم الحصول على النتائج العددية بطريقة مصفوفة الانتقال (TMM). يمكن أن يكون هذا النوع من أجهزة الاستشعار مفيدًا جدًا في الطب، علم الأحياء وحتى في الزراعة. الكلمات المفتاحية : رنين البلازمونات السطحية (SPR)، بلازمونات Tamm (TP)، المستشعرات الحيوية ، الحساسية، الانعكاس. ---------------------------------------------- Résumé (en Français) :

Ces dernières années, des milliers de publications ont été réalisées en physique plasmonique, et spécialement dans le domaine des capteurs, pour leurs miniaturisations et leur haute et précise sensibilité. Ce travail vise à concevoir théoriquement deux biocapteurs plasmoniques basés sur la résonance plasmonique de surface (SPR) dans la configuration de Kretschmann, et un biocapteur basé sur les plasmons de surface de Tamm. Des structures simples à réaliser expérimentalement car elles ne contiennent que des métaux nobles, l'or ou l’argent, déposés sur des prismes en verre. Nous avons étudié l’influence de certains semi-conducteurs comme l’arséniure aluminium de gallium (AlxGa1-xAs) ; semi-conducteur ternaire (un des matériaux les plus utilisés en électronique et optoélectronique), le carbure de silicium (SiC) qui est un semi-conducteur largement utilisé en optoélectronique pour ses propriétés remarquables, un cristal photonique unidimensionnel (1D) (Al0.9Ga0.1As/SiO2)4, les dichalcogénures de métaux de transition bidimensionnels (TMDC) 2D qui attirent l’attention des chercheurs par leurs propriétés intéressantes et le phosphore noir (BP) ou phosphorène récemment introduit dans la communauté des matériaux bidimensionnels sur les plasmons de surface. En comparaison avec d'autres travaux sur les capteurs SPR, les simulations montrent que les biocapteurs simulés dans ce travail de thèse présentent d’excellentes sensibilités. Le biocapteur contrôlant l’hémoglobine du sang humain a une sensibilité angulaire de 244°/RIU, le biocapteur de cellules cancéreuses a une sensibilité angulaire de 208°/RIU dans le visible, et un biocapteur basé sur les plasmons de surface de Tamm d’une ultra-haute sensibilité spectrale 105 nm/RIU dans le proche infrarouge : d’excellentes valeurs pour des structures simples et économiques. Les résultats numériques ont été réalisés par la méthode de la matrice de transfert (TMM). Ce type de biocapteurs peut être très utile en médecine, en biologie et même dans le domaine agricole. Les mots clés : Résonance plasmonique de surface (SPR), plasmons de Tamm (TP), biocapteurs, sensibilité, réflectance. ---------------------------------------------- Abstract (en Anglais) :

In recent years, thousands of publications have been produced in plasmonic physics, and especially in the field of sensors, for their miniaturizations, and their high and precise sensitivity. This work aims to theoretically design two plasmonic biosensors based on surface plasmon resonance (SPR) in the Kretschmann configuration, and a biosensor based on Tamm surface plasmon, structures that are simple to achieve experimentally because they only contain nobles metals, gold (Au) or silver (Ag), deposited on glass prisms. We have studied the influence of certain semiconductors such as aluminum gallium arsenide (AlxGa1-xAs) ; ternary semiconductor (one of the most used materials in electronics and optoelectronics), silicon carbide (SiC) which is a semiconductor widely used in optoelectronics for its remarkable properties, a one-dimensional (1D) photonic crystal (Al0.9Ga0.1As / SiO2)4, two-dimensional transition metal dichalcogenides 2D (TMDC) which attract the attention of researchers by their interesting properties and black phosphorus (BP) or phosphorene recently introduced in the community of two-dimensional materials on the surface plasmons. In comparison with other works on SPR sensors, the simulations show that the biosensors simulated in this thesis work exhibit excellent sensitivities. The biosensor controlling hemoglobin in human blood has an angular sensitivity of 244 ° / RIU, the cancer cells biosensor has an angular sensitivity of 208 ° / RIU in the visible range, and a biosensor based on the surface plasmon of Tamm, with ultra-high spectral sensitivity 105 nm / RIU in the near infrared. Excellent values for simple and economical structures. Numerical results were obtained by the transfer matrix method (TMM). This type of biosensors can be very useful in medicine, biology and even in agriculture. Keywords : Surface plasmon resonance (SPR), Tamm plasmons (TP), biosensors, sensitivity, reflectance.