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Other titre : Nanotechnologie des Semi-conducteurs Quantiques III-V pour la Détection de Legionella pneumophila en Milieu Aqueux

dc.contributor.advisorDubowski, Jan
dc.contributor.authorAziziyan, Mohammad Rezafr
dc.date.accessioned2019-01-17T15:13:52Z
dc.date.available2019-01-17T15:13:52Z
dc.date.created2019fr
dc.date.issued2019-01-17
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11143/14633
dc.description.abstractAbstract: It has been known that GaAs and AlGaAs could be decomposed in aqueous environments and, if irradiated with photons of energy exceeding bandgap of these materials, their decomposition accelerates through a well-known photocorrosion process. The sensitivity of photoluminescence (PL) of semiconductors to the presence of surface states has been investigated quite extensively for many years, however it was not until recently that the measurements of PL were proven to be sensitive to monitor in situ photocorrosion with a sub-monolayer precision. One important consequence of this characteristics is a strong sensitivity of PL to the perturbation of a near surface electric field and transfer of the electric charge. This made photocorrosion of GaAs/AlGaAs nanoheterostructures appealing, as a propitious transducer, for sensing the near surface electric charge perturbations induced by the negatively charged bacteria. In this thesis, the mechanisms of photo-induced III-V semiconductor dissolution have been investigated by conducting inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) of aqueous photocorrosion products. The experiments carried out for GaAs/Al0.35Ga0.65As nanoheterostructures photocorroding in DI H2O and NH4OH milieus confirmed that the digital photocorrosion (DIP) of these nanoheterostructure could be controlled with a sub-monolayer precision. The conditions leading to a congruent decomposition, defined by a constant photocorrosion rate, were investigated with ICP-MS measurements and a set of surface/interface characterization methods employing FTIR, XPS and AFM. This allowed demonstrating that, in contrast to the DI H2O supporting photocorrosion, the NH4OH environment leads to formation of stoichiometric surfaces of the investigated nanoheterostructures photocorroding by at least 100 nm. The constant photocorrosion rate was also observed in situ by monitoring temporal positions of PL revealed interfaces between GaAs and AlGaAs layers. These results demonstrate the feasibility of a simple and relatively inexpensive process for in situ diagnostics of atomic layer etching of compound semiconductors that could lead to formation of stoichiometric surfaces of such materials. The study of digital photocorrosion were expanded on investigation of this process for sensitive detection of electrically charged Legionella pneumophila in an aqueous environment. The enhanced immobilization of these bacteria on the biosensor surface was confirmed with electrically biased GaAs/AlGaAs biochip. Thus, a central hypothesis was that decorating naturally found L. pneumophila with negatively charged biomolecules should lead to a digital photocorrosion based detection with a much-enhanced limit of detection (LOD). In agreement with the zeta potential measurements, the sodium dodecyl sulfate (SDS) decorated L. pneumophila interacted much stronger with the photocorroding GaAs/AlGaAs biochips. This allowed detecting these bacteria in a diluted phosphate buffered saline (PBS) solution at 103 colony forming units (CFU) per ml. The results of this research give a deeper insight into the capability of DIP process for tracking down the conditions leading to formation of stoichiometric surfaces of etched compound semiconductors. Furthermore, this thesis contributes towards development of an innovative method of detecting electrically charged molecules in liquid environments.fr
dc.description.abstractIl a été avéré que le GaAs et l'AlGaAs peuvent être décomposés dans des environnements aqueux et que s'ils sont irradiés avec des photons d'énergie dépassant la bande interdite de ces matériaux, leur décomposition s'accélère grâce à un processus de photocorrosion bien connu. La sensibilité de la photoluminescence (PL) des semi-conducteurs à la présence d’états de surface a fait l’objet des études approfondies pendant de nombreuses années. Cependant, ce n'était que récemment qu’il a été démontré que les mesures de PL étaient sensibles à la photocorrosion in situ avec une précision de sous-monocouche. Une conséquence importante de ces caractéristiques est la forte sensibilité de PL à la perturbation d'un champ électrique proche de la surface et au transfert de la charge électrique. Ceci a rendu la photocorrosion des nano-hétérostructures de GaAs/AlGaAs attrayante, en tant que transducteur propice, pour détecter les perturbations de la charge électrique proche de surface induite par les bactéries chargées négativement. Dans cette thèse, les mécanismes de dissolution des semi-conducteurs III-V photo-induits ont été étudiés en réalisant une spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) de produits aqueux de photocorrosion. Les expériences réalisées pour la photocorrosion de nano-hétérostructures GaAs/Al0.35Ga0.65As dans des milieux DI H2O et NH4OH ont confirmé que la photocorrosion digitale (DIP) de ces nano-hétérostructures pouvait être contrôlée avec une précision inférieure à la monocouche. Les conditions conduisant à une décomposition congruente, définie par un taux de photocorrosion constant, ont été étudiées avec des mesures ICP-MS et un ensemble de méthodes de caractérisation de surface/interface utilisant FTIR, XPS et AFM. Cela a permis de démontrer que, contrairement à l'environnement DI H2O, l'environnement NH4OH conduit à la formation des surfaces stœchiométriques des nano-hétérostructures étudiées, d'au moins 100 nm. Le taux de photocorrosion constant a également été observé in situ en analysant les positions temporelles des interfaces révélées par PL entre les couches de GaAs et d'AlGaAs. Ces résultats démontrent la faisabilité d'un procédé simple et relativement peu coûteux pour le diagnostic in situ de la gravure par couche atomique de semi-conducteurs composés qui pourrait conduire à la formation de surfaces stœchiométriques de tels matériaux. L'étude de la photocorrosion digitale a été étendue à l'étude de ce processus pour la détection sensible de Legionella pneumophila chargée électriquement en milieu aqueux. L'immobilisation efficace de ces bactéries sur la surface du biocapteur a été confirmée avec une biopuce GaAs/AlGaAs polarisée électriquement. Ainsi, l’hypothèse principale proposée est que la décoration de L. pneumophila avec des biomolécules chargées négativement devrait mener à une détection à base de la photocorrosion digitale avec une limite de détection améliorée. En concordance avec les mesures du potentiel zêta, la bactérie L. pneumophila décoré avec du dodécylsulfate de sodium (SDS) a montré une interaction beaucoup plus forte avec les biopuces GaAs/AlGaAs photo-corrodées, ce qui a permis de détecter ces bactéries dans une solution saline tamponnée au phosphate (PBS) à 103 UFC/ml (unités formant colonies). Les résultats de cette recherche permettent de mieux comprendre la capacité du processus DIP à identifier les conditions conduisant à la formation de surfaces stœchiométriques de semi-conducteurs gravés. De plus, cette thèse contribue au développement d'une méthode innovante de détection de molécules chargées électriquement dans des environnements liquides.fr
dc.language.isofrefr
dc.language.isoengfr
dc.publisherUniversité de Sherbrookefr
dc.rights© Mohammad Reza Aziziyanfr
dc.rightsAttribution - Pas d’Utilisation Commerciale - Pas de Modification 2.5 Canada*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/ca/*
dc.subjectIII-V quantum semiconductorfr
dc.subjectGaAs/AlGaAs nanoheterostructurefr
dc.subjectPhotocorrosionfr
dc.subjectPhoto-atomic layer etchingfr
dc.subjectDigital etchingfr
dc.subjectBiosensorfr
dc.subjectDLVO theoryfr
dc.subjectDebye lengthfr
dc.subjectLegionella pneumophilafr
dc.subjectEnhanced limit of detectionfr
dc.subjectBacterial zeta potentialfr
dc.subjectSemi-conducteur quantique III-Vfr
dc.subjectNano-hétérostructure GaAs/AlGaAsfr
dc.subjectPhotoluminescencefr
dc.subjectGravure sur couche photo-atomiquefr
dc.subjectGravure digitalefr
dc.subjectBiocapteurfr
dc.subjectThéorie DLVOfr
dc.subjectLongueur de Debyefr
dc.subjectLimite de détection amélioréefr
dc.subjectPotentiel zêta bactérienfr
dc.titleNanotechnology of III-V Quantum Semiconductors for Detection of Legionella pneumophila in Aqueous Environmentfr
dc.title.alternativeNanotechnologie des Semi-conducteurs Quantiques III-V pour la Détection de Legionella pneumophila en Milieu Aqueuxfr
dc.typeThèsefr
tme.degree.disciplineGénie électriquefr
tme.degree.grantorFaculté de géniefr
tme.degree.levelDoctoratfr
tme.degree.namePh.D.fr


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