Design and Modeling of Carbon Nanotube-based Devices for Biosensing Applications
Conception et Modélisation des Dispositifs de Biocaptage à Base de Nanotubes de Carbone
Résumé
At only fifteen years after their discovery by Sumio Iijima, carbon nanotubes can be considered as one of the support pylons of nanotechnology. The seamless geometry and one-dimensional nature confers to carbon nanotubes exceptional structural, mechanical, electronic and optical properties. Accordingly, nanotubes are expected to pervade key applications such as field emission displays, energy storage, structural composites, nanoelectronics, sensors and actuators, etc.
This thesis focuses on the possible application of carbon nanotubes in biochemical sensing. Its main goal is to employ and extend the theoretical tools of nanotubes in designing sensing devices. Two different sensor architectures are proposed in this thesis. The first involves an electromechanical principle and can be used in measuring either piconewton forces or zeptogram masses. The second sensor is based on conductance changes of a carbon nanotube when exposed to aromatic amino acids. The validation of these two different architectures is achieved via modeling and simulation at various levels of theory.
The main effort of this thesis went into developing highly efficient simulation approaches to cope with the large number of atoms that a typical sensing device has. One of the recurrent problems we have encountered is a certain square or cubic scaling in the number of atoms when computing the quantum conductance. We have managed to render the conductance calculation linearly scaling by real-space partitioning techniques.
This thesis focuses on the possible application of carbon nanotubes in biochemical sensing. Its main goal is to employ and extend the theoretical tools of nanotubes in designing sensing devices. Two different sensor architectures are proposed in this thesis. The first involves an electromechanical principle and can be used in measuring either piconewton forces or zeptogram masses. The second sensor is based on conductance changes of a carbon nanotube when exposed to aromatic amino acids. The validation of these two different architectures is achieved via modeling and simulation at various levels of theory.
The main effort of this thesis went into developing highly efficient simulation approaches to cope with the large number of atoms that a typical sensing device has. One of the recurrent problems we have encountered is a certain square or cubic scaling in the number of atoms when computing the quantum conductance. We have managed to render the conductance calculation linearly scaling by real-space partitioning techniques.
À seulement quinze ans après leur découverte par Sumio Iijima, les nanotubes de carbone sont devenus un des piliers de la nanotechnologie. La géométrie parfaite et la nature unidimensionnelle confère aux nanotubes des propriétés structurelles, mécaniques, électroniques et optiques exceptionnelles. En conséquence, on s'attend à ce que les nanotubes envahissent des applications clef telles que les écrans à émission de champ, le stockage d'énergie, les composites structuraux, la nanoélectronique, les capteurs et les actuateurs, etc.
Cette thèse porte sur l'application de nanotubes de carbone dans le captage biochimique. Son but principal est d'utiliser et d'étendre les outils théoriques des nanotubes pour la conception des dispositifs de captage. Dans cette thèse nous proposons deux architectures différentes de captage. Le premier implique un principe électromécanique et peut être employé dans la mesure des forces faibles (~piconewtons) ou la détection des supramolécules (~zeptogrammes). Le deuxième capteur est basé sur le changement de conductance d'un nanotube de carbone exposé aux acides aminés aromatiques. La validation de ces deux architectures différentes est réalisée à l'aide de la modélisation et de la simulation.
L'effort principal de cette thèse a été concentré sur le développement de méthodes de simulation très efficaces par rapport au grand nombre d'atomes employés. Un problème récurrent que nous avons rencontré est le scaling cubique dans le nombre d'atomes, du calcul de la conductance quantique. Nous sommes parvenus à rendre le calcul de la conductance linéaire par des techniques d'espace réel.
Cette thèse porte sur l'application de nanotubes de carbone dans le captage biochimique. Son but principal est d'utiliser et d'étendre les outils théoriques des nanotubes pour la conception des dispositifs de captage. Dans cette thèse nous proposons deux architectures différentes de captage. Le premier implique un principe électromécanique et peut être employé dans la mesure des forces faibles (~piconewtons) ou la détection des supramolécules (~zeptogrammes). Le deuxième capteur est basé sur le changement de conductance d'un nanotube de carbone exposé aux acides aminés aromatiques. La validation de ces deux architectures différentes est réalisée à l'aide de la modélisation et de la simulation.
L'effort principal de cette thèse a été concentré sur le développement de méthodes de simulation très efficaces par rapport au grand nombre d'atomes employés. Un problème récurrent que nous avons rencontré est le scaling cubique dans le nombre d'atomes, du calcul de la conductance quantique. Nous sommes parvenus à rendre le calcul de la conductance linéaire par des techniques d'espace réel.