Dans le cadre du projet périscolaire Option recherche-études du Cégep de St-Laurent, qui pour but d'initier les cégépien·nes au monde de la recherche, j'ai réalisé un stage au département de physique optique de l'Université de Montréal. Paul Vézina, un étudiant en physique, y est devenu mon mentor pour un projet de vulgarisation scientifique basé sur un élément de sa recherche axée sur les GFETs. Un GFET? Garde Féroce Enlève Tarentule? Nulle crainte, dans le présent texte, je vais démystifier cette créature technologique...
Introduction
Le transistor à effet de champ au graphène (GFET) pourrait transformer les manières de détecter les maladies et de problèmes de santé. Utilisée comme biosenseur, cette technologie permet de rapidement et facilement confirmer la présence de bactéries, de virus (comme celui de COVID-19) et d’une variété de molécules, même lorsque la concentration est minuscule1.
Mais alors, qu’est-ce qu’un transistor à effet de champ au graphène?
Qu’est-ce qu’un transistor à effet de champ? Mieux encore, c’est quoi un transistor?
Le transistor
Un transistor est une composante électronique essentielle pour nos technologies électroniques modernes.
Au lieu d’uniquement ouvrir et fermer un circuit comme un interrupteur, le transistor permet de modifier le courant.
L'effet de champ
Un transistor à effet de champ (FET) est composé d’un semi-conducteur
entre des électrodes pour contrôler le courant électrique.
Une tension est appliquée par trois électrodes: la source, le drain et la grille (gate).
Les électrons dans un matériau semi-conducteur nécessitent un peu d’énergie, mais pas trop, pour pouvoir atteindre la bande de conduction où ils se déplacent librement avec une certaine tension pour participer au courant électrique2.
Le semi-conducteur sera dopé, pour améliorer sa conductivité, par l’ajout d’une petite quantité d’impuretés dans le matériau « pur ». Dans le cas du FET à base de silicium, le dopage demande souvent l’ajout d’une petite quantité d’atomes d’un élément différent avec plus ou moins d’électrons de valence3.
Lorsqu’un élément avec un électron de plus est ajouté (dopage type-n), l’électron excédant a encore plus de facilité à rejoindre la bande de conduction. Inversement, un électron de moins crée un trou. Puisque les trous représentent des électrons manquants, ils sont considérés comme porteurs d’une charge positive; ces « trous » peuvent alors se déplacer pour participer au courant4.
Pause humoristique : Quelle est la différence entre les athlètes professionnel·les et les semi-conducteurs? Le dopage des semi-conducteurs pour améliorer leur performance est tout à fait légal et même encouragé!
À base de graphène
Qu’est-ce qui se passe lorsqu’on prend du graphite (comme dans une mine de crayon) et qu’on enlève des couches jusqu’au moment où il ne reste qu’une couche de carbone d’un atome d’épaisseur? Nous obtenons du graphène5! Ce matériau possède une excellente conductivité électrique comparativement à celle des semi-conducteurs conventionnels, parce que les porteurs de charges, soit les électrons et les trous, se déplacent 100 fois plus facilement6.
Fait intéressant : Andre Geim et Konstantin Novoselov ont gagné le prix Nobel en 2010 pour leurs expériences reliées au graphène 2D; matériau qu’ils produisaient en arrachant des couches de graphites avec du ruban adhésif jusqu’à l’obtention de la fameuse feuille de carbone7.
Andre Geim a également gagné un prix Ig Nobel pour avoir fait léviter une grenouille...
Biosenseur de la COVID-19
Durant la pandémie, des chercheurs ont développé des GFET détectant le virus de la COVID-19 et le SARS-CoV-2 (Seo, Giwan et coll.). Vous savez maintenant qu’un GFET est une composante électrique à base de graphène qui conduit plutôt bien l’électricité. Alors, comment peut-il aussi détecter un virus?
Un virus se détecte lorsque sa présence dans l’échantillon, introduit dans le GFET, modifie la conductance de ce dernier (sa capacité à conduire l’électricité).
Allons-y par étape. Premièrement, des molécules nommées PBASE sont fixées sur le graphène. Celles-ci ont l’avantage de ne pas trop diminuer la conductivité du graphène en le dopant de trous. Des anticorps sont ensuite liés aux PBASE. Dans cet exemple, puisque les chercheurs voulaient détecter la COVID-19, ils ont choisi des anticorps qui s’attachent uniquement au SARS-CoV-2.
Si le virus est présent, il s’attachera aux anticorps, et la conductance du GFET sera donc modifiée. Dès que cette modification est détectée, nous savons que le virus est présent. La grande conductivité du graphène permet de constater plus facilement la différence entre la conductance lorsque le virus est présent et lorsqu’il n’est pas présent.
Il faut aussi souligner que d’autres virus ne s’attacheront pas aux anticorps spécifiques au virus de la COVID-19, donc ils ne modifieront pas (sinon très peu) la conductance.
Ainsi, le biosenseur très sensible détecte le virus de manière fiable lorsque sa concentration n’est que de 1 fg/ml en laboratoire, c’est-à-dire 0,000000000000001g/ml. Durant les tests en clinique, il suffisait d’une concentration de 100fg/ml pour détecter le SARS-CoV-28. Ce GFET est une manière plus rapide et plus efficace de détecter la COVID-19 avec une grande sensibilité en comparaison avec les autres méthodes de détection.
Conclusion
La pandémie du virus COVID-19 (SARS-CoV-2) a démontré très clairement la nécessité de technologies de détection rapides, fiables et très sensibles. Pour une prochaine maladie pandémique qui prendrait le monde en otage, il suffirait d’échanger les anticorps qui se lient au SARS-CoV-2 avec ceux qui s’attachent au virus ou à la bactérie XYZ et notre GFET deviendrait une des solutions essentielles pour sauver des vies.
- 1
Vamsi Krsihna, B., Ravi, S. et Durga Prakash, M. (2021). Recent developpements in graphene based field effect transistors. Dr. Kumaresan G. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214785320358041
- 2
Pichegru, Thomas. (2025) 2.1 Deux siècles d’énergie électrique, Physique et chimie au lycée, EST–2.1 Deux siècles d’énergie électrique.
- 3
« En chimie et en physique, les électrons de valence sont ceux situés dans la couche externe d'un atome, et qui peuvent participer à la formation d'une liaison chimique si cette couche extérieure n'est pas totalement remplie. Dans une liaison covalente chacun des atomes liés partage un électron de valence. » Article Électron de valence, dans Wikipédia. Source consultée le 30 mai 2025.
- 4
Hans, Camenzind. (s.d.) Semiconductir Doping and Conduction, Electronics Textbook, Semiconductor Doping and Conduction | Analog Devices | Electronics Textbook.
- 5
Krsihna, Vamsi B. et al. (2021). Recent developments in graphene based field transistors. MaterialToday: Proceedings, Vol (45),1524-15280, https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.07.678.
- 6
Baudin, E. et M. Bocqet. Article « graphène » de l’Encyclopædia Universalis. https://www.universalis-edu.com/encyclopedie/graphene/3-des-proprietes-physiques-et-chimiques-exceptionnelles/
- 7
Gerstner, E. Nobel Prize 2010: Andre Geim & Konstantin Novoselov. Nature Phys 6, 836 (2010). https://doi.org/10.1038/nphys1836.
- 8
Seo, Giwan et al. (2020). Rapid Detection of COVID-19 Causative Virus (SARS-Cov-2) in Human Nasopharyngeal Swab Specimens Using Field-Effect Transistor-Based Biosensor, ACS Nano, Vol(14), 5135–5142, https://doi.org/10.1021/acsnano.0c02823.
- Mickayla Boselawa
Cégep de Saint-Laurent
Mickayla Boselawa est étudiante en double DEC sciences de la nature et arts visuels au cégep de Saint-Laurent. Elle rédige ce texte au sein d’un stage avec l’université de Montréal grâce au périscolaire d’introduction à la recherche, l’option recherche-études. Elle est également encadrée par Artenso, le centre collégial spécialisé en médiation culturelle, dans un projet de recherche sur le lien entre l’art, les espaces publiques et la population en situation d’itinérance. Passionnée par la vie et guidée par la curiosité, elle s’élance sur le chemin du fameux « Pourquoi? ».
- Paul Vézina
Université de Montréal
Paul Vézina est étudiant à la maitrise de physique à l'Université de Montréal. Son projet est actuellement affilié à l'IRIC (Institut de recherche en immunologie et cancérologie) et l'institut Courtois (groupe de recherche en développement de matériaux) reflétant ainsi le plaisir qu'il prend aux collaborations interdisciplinaires. Il étudie spectralement le graphène dans le cadre de la fabrication de GFETs (Transistors de graphène à effet de champ) et espère ainsi pouvoir apporter sa touche au monde en pleine évolution des biosenseurs. Il profite également de son temps libre pour participer au concours international de détection Sensus ainsi que pour s'impliquer lors d'activités de communications scientifiques.
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