abstract: One of the single-most insightful, and visionary talks of the 20th century, “There’s plenty of room at the bottom,” by Dr. Richard Feynman, represented a first foray into the micro- and nano-worlds of biology and chemistry with the intention of direct manipulation of their individual components. Even so, for decades there has existed a gulf between the bottom-up molecular worlds of biology and chemistry, and the top-down world of nanofabrication. Creating single molecule nanoarrays at the limit of diffraction could incentivize a paradigm shift for experimental assays. However, such arrays have been nearly impossible to fabricate since current nanofabrication tools lack the resolution required for precise single-molecule spatial manipulation. What if there existed a molecule which could act as a bridge between these top-down and bottom-up worlds? At ~100-nm, a DNA origami macromolecule represents one such bridge, acting as a breadboard for the decoration of single molecules with 3-5 nm resolution. It relies on the programmed self-assembly of a long, scaffold strand into arbitrary 2D or 3D structures guided via approximately two hundred, short, staple strands. Once synthesized, this nanostructure falls in the spatial manipulation regime of a nanofabrication tool such as electron-beam lithography (EBL), facilitating its high efficiency immobilization in predetermined binding sites on an experimentally relevant substrate. This placement technology, however, is expensive and requires specialized training, thereby limiting accessibility. The work described here introduces a method for bench-top, cleanroom/lithography-free, DNA origami placement in meso-to-macro-scale grids using tunable colloidal nanosphere masks, and organosilane-based surface chemistry modification. Bench-top DNA origami placement is the first demonstration of its kind which facilitates precision placement of single molecules with high efficiency in diffraction-limited sites at a cost of $1/chip. The comprehensive characterization of this technique, and its application as a robust platform for high-throughput biophysics and digital counting of biomarkers through enzyme-free amplification are elucidated here. Furthermore, this technique can serve as a template for the bottom-up fabrication of invaluable biophysical tools such as zero mode waveguides, making them significantly cheaper and more accessible to the scientific community. This platform has the potential to democratize high-throughput single molecule experiments in laboratories worldwide. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Biomedical Engineering 2019

Carbon nanotubes (CNTs) have become one of the most interesting allotropes of carbon due to their intriguing mechanical, electrical, thermal and optical properties. The synthesis and electron emission properties of CNT arrays have been investigated in this work. Vertically aligned CNTs of different densities were synthesized on copper substrate with catalyst dots patterned by nanosphere lithography. The CNTs synthesized with catalyst dots patterned by spheres of 500 nm diameter exhibited the best electron emission properties with the lowest turn-on/threshold electric fields and the highest field enhancement factor. Furthermore, CNTs were treated with NH3 plasma for various durations and the optimum enhancement was obtained for a plasma treatment of 1.0 min. CNT point emitters were also synthesized on a flat-tip or a sharp-tip to understand the effect of emitter geometry on the electron emission. The experimental results show that electron emission can be enhanced by decreasing the screening effect of the electric field by neighboring CNTs. In another part of the dissertation, vertically aligned CNTs were synthesized on stainless steel (SS) substrates with and without chemical etching or catalyst deposition. The density and length of CNTs were determined by synthesis time. For a prolonged growth time, the catalyst activity terminated and the plasma started etching CNTs destructively. CNTs with uniform diameter and length were synthesized on SS substrates subjected to chemical etching for a period of 40 minutes before the growth. The direct contact of CNTs with stainless steel allowed for the better field emission performance of CNTs synthesized on pristine SS as compared to the CNTs synthesized on Ni/Cr coated SS. Finally, fabrication of large arrays of free-standing vertically aligned CNT/SnO2 core-shell structures was explored by using a simple wet-chemical route. The structure of the SnO2 nanoparticles was studied by X-ray diffraction and electron microscopy. Transmission electron microscopy reveals that a uniform layer of SnO2 is conformally coated on every tapered CNT. The strong adhesion of CNTs with SS guaranteed the formation of the core-shell structures of CNTs with SnO2 or other metal oxides, which are expected to have applications in chemical sensors and lithium ion batteries.

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Les biocapteurs sont utilisés quotidiennement pour déterminer la présence de molécules biologiques dans une matrice complexe, comme l’urine pour les tests de grossesses ou le sang pour les glucomètres. Les techniques courantes pour la détection des autres maladies nécessitent fréquemment le marquage de l’analyte avec une autre molécule, ce qui est à éviter pour fin de simplicité d’analyse. Ces travaux ont pour but la maximisation de la sensibilité d’une surface d’or ou d’argent nanotrouée, afin de permettre la détection de la liaison de molécules biologiques par résonance des plasmons de surface localisés (LSPR), en utilisant la spectroscopie de transmission. Un biocapteur portable, rapide et sans marquage pour quantifier des analytes d’intérêt médical ou environnemental pourrait être construit à partir de ces travaux. Dans l’objectif d’étudier de nombreuses configurations pour maximiser la sensibilité, le temps et le coût des méthodes de fabrication de nanostructures habituelles auraient limité le nombre de surfaces nanotrouées pouvant être étudiées. Un autre objectif du projet consiste donc au développement d’une technique de fabrication rapide de réseaux de nanotrous, et à moindres coûts, basée sur la lithographie de nanosphères (NSL) et sur la gravure au plasma à l’oxygène (RIE). La sensibilité à la variation d’indice de réfraction associée aux liaisons de molécules sur la surface du métal noble et la longueur d’onde d’excitation du plasmon de surface sont influencées par les caractéristiques des réseaux de nanotrous. Dans les travaux rapportés ici, la nature du métal utilisé, le diamètre ainsi que la périodicité des trous sont variés pour étudier leur influence sur les bandes LSPR du spectre en transmission pour maximiser cette sensibilité, visant la fabrication d’un biocapteur. Les surfaces d’argent, ayant un diamètre de nanotrous inférieur à 200 nm pour une périodicité de 450 nm et les nanotrous d’une périodicité de 650 nm démontre un potentiel de sensibilité supérieur. / Biosensors are used daily to determine the presence of biomolecules in a complex matrix, like urine for pregnancy test or blood with a glucometer. The usual biodetection methods require the addition of a tag on the analyte, which is to be avoided to design a simple analytical method. The objective of this work is to maximize the sensitivity of a gold or silver nanohole arrays to detect the biomolecules liaisons close to the metal surface by localized surface plasmon resonance (LSPR) in transmission spectroscopy. A portable and effective biosensor to quantify analytes could be built based on this work, without a tagging step. To achieve the objective of evaluating numerous configurations for maximal sensitivity, the time and cost of the usual nanostructures fabrication methods would have limited the number of nanohole arrays in metal surface that could have been studied in this project. This fact motivated another objective of this project, the development of a fast and low cost fabrication method for nanohole arrays using nanospheres lithography (NSL) followed by reactive ions etching (RIE). The plasmon sensitivity and wavelength excitation are influenced by the nanohole arrays characteristics. In the work presented here, the chemical composition of the metal surface, the diameter and the periodicity of the nanohole arrays are shown to the influence the LSPR bands. The transmission maximum and minimum position of some LSPR bands are sensitive to refractive index change, which can be exploited in a biosensor format to detect biomolecules. The optimization of these nanohole arrays characteristics allows the maximization of this sensitivity to build a biosensor. The best index refraction sensitive results were with silver surfaces, with nanohole diameters smaller than 200 nm for a periodicity of 450 nm and the nanoholes with a periodicity of 650 nm show a potential for an increased sensitivity.

Les biocapteurs sont utilisés quotidiennement pour déterminer la présence de molécules biologiques dans une matrice complexe, comme l’urine pour les tests de grossesses ou le sang pour les glucomètres. Les techniques courantes pour la détection des autres maladies nécessitent fréquemment le marquage de l’analyte avec une autre molécule, ce qui est à éviter pour fin de simplicité d’analyse. Ces travaux ont pour but la maximisation de la sensibilité d’une surface d’or ou d’argent nanotrouée, afin de permettre la détection de la liaison de molécules biologiques par résonance des plasmons de surface localisés (LSPR), en utilisant la spectroscopie de transmission. Un biocapteur portable, rapide et sans marquage pour quantifier des analytes d’intérêt médical ou environnemental pourrait être construit à partir de ces travaux. Dans l’objectif d’étudier de nombreuses configurations pour maximiser la sensibilité, le temps et le coût des méthodes de fabrication de nanostructures habituelles auraient limité le nombre de surfaces nanotrouées pouvant être étudiées. Un autre objectif du projet consiste donc au développement d’une technique de fabrication rapide de réseaux de nanotrous, et à moindres coûts, basée sur la lithographie de nanosphères (NSL) et sur la gravure au plasma à l’oxygène (RIE). La sensibilité à la variation d’indice de réfraction associée aux liaisons de molécules sur la surface du métal noble et la longueur d’onde d’excitation du plasmon de surface sont influencées par les caractéristiques des réseaux de nanotrous. Dans les travaux rapportés ici, la nature du métal utilisé, le diamètre ainsi que la périodicité des trous sont variés pour étudier leur influence sur les bandes LSPR du spectre en transmission pour maximiser cette sensibilité, visant la fabrication d’un biocapteur. Les surfaces d’argent, ayant un diamètre de nanotrous inférieur à 200 nm pour une périodicité de 450 nm et les nanotrous d’une périodicité de 650 nm démontre un potentiel de sensibilité supérieur. / Biosensors are used daily to determine the presence of biomolecules in a complex matrix, like urine for pregnancy test or blood with a glucometer. The usual biodetection methods require the addition of a tag on the analyte, which is to be avoided to design a simple analytical method. The objective of this work is to maximize the sensitivity of a gold or silver nanohole arrays to detect the biomolecules liaisons close to the metal surface by localized surface plasmon resonance (LSPR) in transmission spectroscopy. A portable and effective biosensor to quantify analytes could be built based on this work, without a tagging step. To achieve the objective of evaluating numerous configurations for maximal sensitivity, the time and cost of the usual nanostructures fabrication methods would have limited the number of nanohole arrays in metal surface that could have been studied in this project. This fact motivated another objective of this project, the development of a fast and low cost fabrication method for nanohole arrays using nanospheres lithography (NSL) followed by reactive ions etching (RIE). The plasmon sensitivity and wavelength excitation are influenced by the nanohole arrays characteristics. In the work presented here, the chemical composition of the metal surface, the diameter and the periodicity of the nanohole arrays are shown to the influence the LSPR bands. The transmission maximum and minimum position of some LSPR bands are sensitive to refractive index change, which can be exploited in a biosensor format to detect biomolecules. The optimization of these nanohole arrays characteristics allows the maximization of this sensitivity to build a biosensor. The best index refraction sensitive results were with silver surfaces, with nanohole diameters smaller than 200 nm for a periodicity of 450 nm and the nanoholes with a periodicity of 650 nm show a potential for an increased sensitivity.

Im ersten Teil der Arbeit werden Signalverstärkungsmechanismen für Raman-Spektroskopie erschlossen und evaluiert. Die als geeignet bewerteten Methoden finden im zweiten Teil ihre Anwendung zur Untersuchung der vibronischen Eigenschaften von dünnen Manganphthalocyaninschichten, die anschließend mit Kalium interkaliert werden. Hierbei sind verschiedene Phasen identifizierbar, die ein ganzzahliges Verhältnis von Kaliumatomen zu Manganphthalocyaninmolekülen besitzen. Im dritten Teil werden die elektrischen Eigenschaften durch die Verwendung dieses Materialsystems als aktives Medium eines Feldeffekttransistors untersucht.

Im ersten Teil der Arbeit werden Signalverstärkungsmechanismen für Raman-Spektroskopie erschlossen und evaluiert. Die als geeignet bewerteten Methoden finden im zweiten Teil ihre Anwendung zur Untersuchung der vibronischen Eigenschaften von dünnen Manganphthalocyaninschichten, die anschließend mit Kalium interkaliert werden. Hierbei sind verschiedene Phasen identifizierbar, die ein ganzzahliges Verhältnis von Kaliumatomen zu Manganphthalocyaninmolekülen besitzen. Im dritten Teil werden die elektrischen Eigenschaften durch die Verwendung dieses Materialsystems als aktives Medium eines Feldeffekttransistors untersucht.:1. Einleitung 2. Theoretische Grundlagen der angewendeten Effekte 3. Experimentelle Details 4. Herstellung, Charakterisierung und Optimierung von Substraten für Raman-Oberflächenverstärkungseffekte 5. Untersuchung zu Verstärkungsmechanismen des Raman-Effekts an dünnen organischen Schichten 6. Interkalation mit Kalium in dünne Schichten aus Manganphthalocyanin 7. MnPc unter Spannungs- und Stromeinfluss - Der Feldeffekttransistor 8. Zusammenfassung Anhang Literatur Abbildungsverzeichnis Eidesstattliche Versicherung Lebenslauf Liste wissenschaftlicher Leistungen Danksagung