Prsentation PowerPoint

1
Jean-Claude Boudenot Thales Research Technology
Les enjeux des nanotechnologies
2
Remerciements à

• Jacques Girard
• Lucien Deschamps
• Jean-Pascal Duchemin
• Pierre Legagneux

3

• La maîtrise de la matière à l'échelle du
  millimètre a produit, à la fin du 18ème siècle,
  une première révolution technologique et
  industrielle
• Au milieu du 20ème siècle, la maîtrise de la
  matière à l'échelle du micromètre a été à
  l'origine d'une deuxième révolution
  technologique, qui s'est concrétisée par le
  développement de la microélectronique
• Il est probable que les nanosciences et les
  nanotechnologies, qui permettront à l'homme de
  contrôler la matière au niveau du milliardième de
  mètre, constitueront, au cours du 21ème siècle,
  la troisième révolution technologique et
  industrielle
• François dAubert, Minatec, 16 décembre 2004

4
(No Transcript)
5
Quand les technologies convergeront

• Quand les technologies du XXIe siècle
  convergeront, lhumanité, grâce à elles, pourra
  enfin atteindre un état marqué par la paix
  mondiale, la prospérité universelle et la marche
  vers un degré supérieur de compassion et
  daccomplissement

Rapport NBIC (Nanotechnologies, Biotechnologies,
technologies de lInformation et des sciences
Cognitives), juin 2002
6
(No Transcript)
7
(No Transcript)
8
Electronique du futur
9
(No Transcript)
10
La nouvelle électronique

• En quarante ans on est passé de 1 transistor à
  plusieurs centaines de millions de transistors
  sur une puce
•  
• Les limites physiques se profilent
•  
• La nouvelle électronique sera moléculaire, elle
  utilisera les électrons et les photons à lunité,
  le spin sera vecteur dinformation, le
  nanomagnétisme permettra de concevoir des
  mémoires sans alimentation, la lithographie sera
  remplacée par des mécanismes dautoassemblage

11
(No Transcript)
12
Laser à Cascade Quantique
1 cheveu 50mm 0.00005m
13
(No Transcript)
14
VERS LE PLUS GRAND
VERS LE TRES PETIT
M
I
C
R
O
E
L
E
C
T
R
O
N
I
Q
U
Nanomonde
E
15
There s Plenty of Room at the Bottom
Richard Feynman American Society meeting,
California Institute of Technology December 1959
16
Vers le nanomonde
17
MEMS
18
(No Transcript)
19
(No Transcript)
20
(No Transcript)
21
Nanotechnology
Convergence entre technologie, physique, chimie
et biologie Exploite les propriétés spécifiques
du monde à léchelle atomique
Si lon me demandait quel domaine des sciences et
techniques produira vraisemblablement les plus
grandes ruptures je répondrais les sciences et
les techniques à léchelle nanométrique Neal
Lane, Ancien Conseiller du Président américain
pour les sciences et les technologies
22
Impact des Nanotechnologies
Informatique et stockage de données Matériau
x et Manufacturing Santé et Médecine Energie
et Environnement Transport Sécurité Expl
oration spatiale
Nanotechnology is an enabling technology
23
Informatique et stockage de données
Processeurs ayant une très faible consommation
et un très faible coût permettant laugmentation
de lefficacité des ordinateurs par un facteur
106 Mémoires de plusieurs Tbit (1000 Gbit)
Nanocapteurs avec capacité de calcul et de
communication de très faible dimension, poids et
consommation Plus haute fréquence de
communication utilisation du spectre
optique, augmentation de la bande passante
Display Calcul quantique
24
Chat de Schrödinger
Prenez un chat, du cyanure, une particule
radioactive, mettez le tout Dans une boîte et
attendez une heure ! Lettre de Schrödinger à
Einstein, 1935
25
(No Transcript)
26
(No Transcript)
27
(No Transcript)
28
Matériaux et Manufacturing
Surface autonettoyante (effet lotus)
W. Barthlott, Univ. of Hamburg
Epicuticular wax
(Source Metin Sitti, CMU)
29
Santé et Médecine

• Ce  sous-marin  nanoscopique pourrait, dans un
  avenir proche, pénétrer dans les vaisseaux
  sanguins pour tuer des microbes, corriger des
  erreurs génétiques, supprimer des cellules
  cancéreuses, réparer des tissus

Biochip
30
Energie et Environnement
Production dénergie - Source propre et bon
marché Utilisation de lénergie - Eclairage
domestique et industriel très efficace
- Léclairage nouveau peut réduire la
consommation totale délectricité de 10 et
réduire lémission de CO2 de léquivalent de 28
million de tonnes par an (Source Al Romig,
Sandia Lab) Matériaux de construction
adaptable à lenvironnement thermique
31
(No Transcript)
32
Transport
Revêtements thermiques Composites
résistants et légers permettant une consommation
réduite Capteurs haute température
Amélioration des affichages Amélioration des
batteries Amélioration des pneus Autoroutes
automatiques
33
(No Transcript)
34
(No Transcript)
35
(No Transcript)
36
Sécurité
37
Exploration spatiale
38
Enjeu économique
39
SOMMAIRE
1) Une définition pour les nanotechnologies
2) Une instrumentation pour investiguer les
nanotechnologie
3) Les effets mésoscopique dans les nano-objets
4) Les nanotubes de carbone
5) La  môletronique 
6) La  spintronique 

7) Les technologies d élaboration

8) Perspectives
40
SOMMAIRE
1) Une définition pour les nanotechnologies
2) Une instrumentation pour investiguer les
nanotechnologie
3) Les effets mésoscopique dans les nano-objets
4) Les nanotubes de carbone
5) La  môletronique 
6) La  spintronique 

7) Les technologies d élaboration

8) Perspectives
41
On appelle nano-objets des objets dont deux au
moins des trois dimensions ont une taille de un à
quelques nanomètres
Les nanotechnologies sont les technologies mises
en uvre pour fabriquer des nano-objets
Les nanosciences étudient les propriétés des
nano-objets
Quand les dimensions dun objet sont de lordre
du ou de quelques nanomètres, les lois usuelles
de la physique ne semblent plus sappliquer. De
nouveaux effets appelés, effets mésoscopiques
apparaissent.
Les MEMS (Micro ElectroMechanical Systems), même
de petites dimensions ne relèvent pas des
nanotechnologies
La microélectronique ne relève pas des
nanotechnologies
42
SOMMAIRE
1) Une définition pour les nanotechnologies
2) Une instrumentation pour investiguer les
nanotechnologie
3) Les effets mésoscopique dans les nano-objets
4) Les nanotubes de carbone
5) La  môletronique 
6) La  spintronique 

7) Les technologies d élaboration

8) Perspectives
43
MICROSCOPE A FORCE ATOMIQUE
Dans le microscope à force atomique, une pointe
extrêmement fine suit les aspérités de la surface
à étudier. Elle transmet ses mouvements à un
levier dont les déplacements sont suivis par un
laser.
Pointe
44
MICROSCOPE A FORCE ATOMIQUE APPLICATIONS
- Le microscope à force atomique a été conçu pour
réaliser des images de très petits objets
- Le microscope à force atomique est aussi
employé pour déplacer de très petits objets sur
de petites distances
Pointe de grande finesse
Ici, on montre comment une pointe fine peut
entraîner un nanotube de carbone
Sens de déplacement
Nanotube de carbone déplacement
Abaissement de la pointe
Entraînement du nanotube
45
Principe du microscope à effet tunnel à
balayage (Scanning Tunneling Microscope)
Principe du microscope à effet tunnel
Effet tunnel
46
Microscope à effet tunnel à balayage
Une pointe nest jamais parfaite
Il existe des pointes secondaires
Pointe primaire
Dans une pointe en recul de deux atomes, comme
celle-ci, le courant tunnel est 100 fois moins
intense
47
Building a quantum corral one atome by one atome
Deux usages
1) Déplacer des atomes (molécules)
2) Caractériser une surface
48
Xénon sur du nickel monocristallin (Xenon on
nickel 110)
49
Musée dimages à IBM
Quantum corral (Iron on copper)
Rectangular corral (Iron on copper)
Stadium corral (Iron on copper)
50
Musée dimages à IBM
Cuivre sur nickel
Cuivre sur nickel
Cuivre sur nickel
Cuivre sur nickel
51
Mirage quantique
52
SOMMAIRE
1) Une définition pour les nanotechnologies
2) Une instrumentation pour investiguer les
nanotechnologie
3) Les effets mésoscopique dans les nano-objets
4) Les nanotubes de carbone
5) La  môletronique 
6) La  spintronique 

7) Les technologies d élaboration

8) Perspectives
53
(No Transcript)
54
Melting Point of Gold
Melting point - 1064? C
Source K.J. Klabunde, 2001
55
Effets mésoscopiques  Conductance électrique
(1/2)
Que devient la conductance électrique dun fil
conducteur quand ses dimensions diminuent ?
Quand longueur 0 et Surface 0
Objet macroscopique
DI
s


Gélect.
r
DV
Iongueur
r
V
l
s
Objet nanoscopique
2 e2
DI
V
N fois

Gélect.

Gélect.
DV
h
Relation de Landauer
56
Effets mésoscopiques  Conductance électrique
(2/2)
La conductance électrique dun fil conducteur
nanoscopique
Objets nanoscopiques
2e2/h
V
Contact point
Canal rétrécit dun transistor à effet de champs
GaAlAs/GaAs
Volts
1
Gélect.
N
13000 ?
57
Effets mésoscopiques  Conductance Thermique
Que devient la conductivité thermique dun objet
de dimensions nanométriques
Objets macroscopiques
DF chaleur
s
DF chaleur
s


G therm.
DT
Iongueur
s
DT
l
s
Objets nanoscopiques
p2
kB2
T
N
G therm.

N (fois) 9,456 10-13 T

G therm.
3 h
( W /K)
A quelques milli K
58
Effets mésoscopiques  Blocage de coulomb
Lîle est remplie délectrons aucun électron ne
peut plus passer dans lîle en raison du blocage
de coulomb
0n applique une tension électrique déterminée sur
la grille un électron supplémentaire peut alors
passer dans lîle. Il sétablit alors dans le
transistor un courant dont lintensité dépend du
nombre délectrons présents dans lîle
Conductance
59
SOMMAIRE
1) Une définition pour les nanotechnologies
2) Une instrumentation pour investiguer les
nanotechnologie
3) Les effets mésoscopique dans les nano-objets
4) Les nanotubes de carbone
5) La  môletronique 
6) La  spintronique 

7) Les technologies d élaboration

8) Perspectives
60
(No Transcript)
61
Nanotubes de carbone pour émission de
champ (Carbon nanotubes)
Nanotubes de carbone nano-objets relevant des
nanotechnologies
F 1-10 nm
Nanotube de carbone simple paroi
Emission délectrons à basse température cathodes
froide pour tubes de puissance
Structure des nanotubes de carbone application
à lémission de champ
Croissance dun nanotube de carbone avec sa bille
de catalyseur
Préparation des nanotubes de carbone
62
Nanotubes de carbone (vue au microscope
électronique)
Nanotubes de carbone Diamètre 50 nm Hauteur
5 µm
63
Structure dun nanotube de carbone mono-paroi
Enroulement dun feuillet
Surface dun feuillet de graphite analysée au STM
nanotube mono-parois
Feuillet de graphène
Dans le carbone graphite, la densité électronique
se distribue dans trois directions à 120 les
unes par rapport aux autres pour assurer la
cohésion de chaque plan de graphène (liaisons
sigma)
La cohésion entre les différents plans est
assurée par le recouvrement des électrons pi
situés dans le plan perpendiculaire
64
Vibrations dun nanotube de carbone mono-paroi
Il faut imaginer le nanotube comme une molécule
avec ses mouvements de vibration propres
65
Classification des nanotubes de carbone
66
Monotubes de carbone simple mur et
multimurSingle wall (SWNT) and multiwall (MWNT)
carbon nanotubes
Monotube simple paroi
Monotube multi-paroi
Séparation entre parois 0,34 nm
Diamètre quelques nm
67
Mécanisme de la croissance localisée des
nanotubes de carbone
Plasma de gaz méthane à basse pression (CH4)
Croissance dun nanotube avec sa
micro-gouttelette de catalyseur métallique
Plots localisés de tungstènes
Plots localisés
0
68
Application des nanotubes à lémission de champs
69
High Current Density Triode for 30-100GHz
Amplifier
Application des nanotubes à lémission de champs
e- bunches
CNT based cold cathode
RF port
Anode
1.2A/cm² _at_ 1.5GHz
CNTs in a high electric field area
70
Vers la nanolithographie
Grille
Nanotube
Technologie autoalignée
Croissance localisée
Croissance localisée de CNT
Technologie des microcanons(microgun)
71
Medical Application médicale Scanner Parallèle
72
SOMMAIRE
1) Une définition pour les nanotechnologies
2) Une instrumentation pour investiguer les
nanotechnologie
3) Les effets mésoscopique dans les nano-objets
4) Les nanotubes de carbone
5) La  môletronique 
6) La  spintronique 

7) Les technologies d élaboration

8) Perspectives
73
Electronique moléculaire
74
Électronique moléculaire Carbon nanotubes
Nanotube de carbone (simple mur)
Transistor à effet de champ avec un nanotube de
carbone pour canal
Molécule de fullerène
Transistor à effet de champ avec une molécule C60
pour canal
Transistor à effet de champ avec une molécule
organique pour canal
Molécule organique
Transistor à effet de champ à simple électron
75
La molécule de fullerene
Le cycle à 5 carbones distord le plan de graphène
76
EFFET TRANSISTOR SUR UNE MOLECULE DE FULLERENE
Le courant passe entre la source (pointe du
microscope STM) et le drain constitué de lembase
en cuivre La commande du transistor est
effectuée en compressant la molécule C60 avec la
pointe du STM
Pointe du microscope STM
Embase en cuivre
Accroissement du courant par pression
77
Transistor à effet de champ à base de NTCsimple
paroi (CNFET)
? 1nm
Nanotube
Ph. Avouris, IBM
78
Utilisation dun nanofil dans un transistor
79
Interconnections par nanotube multiparoi ?

• CNT advantages
• Petit diamètre
• Grand rapport de forme
• Très conducteur sur laxe
• Grande force mécanique

Question Comment faire cela ?
80
Transistor à un seul électron
81
Diodes électroluminescente en nanotubes
Emission de lumière
Nanosource source à un photon pour
cryptographie quantique Application à la sécurité
des communications
82
(No Transcript)
83
NEMS (Nano-MEMS) (Nano ElectroMechanical
Systems)
Oscillation mécanique à 1,2 Tera-hertz
84
NEMS (Nano-MEMS) (Nanotechnology
electromechanical systems)
Rotor monomolécule
Rotor à larrêt
85
NEMS et nanomoteurs
86
et micromoteurs
87
Nano-interconnexion (Nanotechnologie)
Fil de platine de 70 nm de diamètre usiné par
focused ion beam (FIB)
88
SOMMAIRE
1) Une définition pour les nanotechnologies
2) Une instrumentation pour investiguer les
nanotechnologie
3) Les effets mésoscopique dans les nano-objets
4) Les nanotubes de carbone
5) La  môletronique 
6) La  spintronique 

7) Les technologies d élaboration

8) Perspectives
89
SPIN DES ELECTRONS
Le spin des électrons peut sinterpréter en
considérant quils sont pourvus dune charge
électrique distribuée sur leur périphérie et
quils sont animés dun mouvement de rotation
Si on définit arbitrairement que cet électron
possède le spin 1/2
Celui-ci possède arbitrairement le spin -1/2
90
Pauli, Bohr et le spin
91
COURANT ELECTRIQUE ORDINAIRE
Lélectronique que nous connaissons ne prend pas
garde au spin des électrons qui peuvent prendre
indifféremment les valeurs 1/2 et 1/2
92
Direction de laimentation
INJECTION D ELECTRONS POLARISES EN SPIN
Les électrons circulant dans un matériau
ferromagnétique (Fe) magnétisé, ont tous le même
spin
Les électrons polarisés peuvent être injectés
dans un matériau non magnétique. Ils conservent
leur spin sur une petite distance puis ils
diffusent
Ou être arrêtés si laimantation est contraire
Toutefois, si la couche du matériau non
magnétique est mince, les électrons conservent
leur spin puis ils peuvent être être réinjectés
dans une nouvelle couche de matériau magnétique
si son aimantation est la même
93
Implication de la spintronique

• La France est un acteur majeur du domaine des
  nanosciences et des nanotechnologies
• C'est dans nos laboratoires et grâce aux travaux
  d'Albert FERT, que la magnétorésistance géante a
  été découverte
• Elle permet de réaliser des têtes
• de lectures magnétiques, aujourd'hui
  produites au rythme de 615 millions par an
• François dAubert, Minatec, 16 décembre 2004

94
Le microscope à balayage à effet tunnel outil
sensible à létat magnétique à léchelle atomique
95
SOMMAIRE
1) Une définition pour les nanotechnologies
2) Une instrumentation pour investiguer les
nanotechnologie
3) Les effets mésoscopique dans les nano-objets
4) Les nanotubes de carbone
5) La  môletronique 
6) La  spintronique 

7) Les technologies d élaboration

8) Perspectives
96
Fabrication des nano-objets
- Lithographie optique et électronique
- Soft lithography
- Déplacement datomes un par un avec le AFM ou
STM
- Dip-pen lithography
- Auto-organisation
- Copier le code génétique
97
La lithographie
98
Précision de la lithographie
Lithographie optique
Masque Restitution Résolution
UV 365 nm
99
Les méthodes dautoassemblage
100
La  dip-pen  lithographie
101
(No Transcript)
102
Pourquoi ne pourrait-on pas écrire les 24 volumes
de lencyclopédie Britannica sur une tête
dépingle ?  R. Feynmann, 1959
103
Lexemple de la Nature

• La biologie moléculaire est une nanotechnologie
  naturelle
• Une cellule vivante est une nano-usine faite de
  nanomachine capable dauto-réplication
• Les propriétés dauto-assemblage de lADN peuvent
  être utilisées

104
Fabrication des nano-objets
- Greffage de molécules (grafting)
- Auto-organisation
105
Auto-assemblage de Quantum dots
Quantum dot assembly
106
Des technologues rêvent de copier la nature dans
un processus  bottom-up  comme le code
génétique le permet
107
Base
O
Brin mono-caténaire dADN Acide
désoxy-ribo-nucléique avec 3 Nucléotides
CH2
O
C
C
H
H
H
C
C
H
O
H
-
P
O
O
Bases A, T, C, G
O
Base
CH2
O
C
C
H
H
H
C
C
H
O
H
P
O
O
O
Base
CH2
O
C
C
H
H
H
C
C
H
108
PAIRES DE BASES THYMINE - ADENINE
H
N
H
N
HC
C
C
N
N
C
N
HC
C1 du désoxyribose
ADENINE (A)
Hélice 1
Hélice 2
109
SOMMAIRE
1) Une définition pour les nanotechnologies
2) Une instrumentation pour investiguer les
nanotechnologie
3) Les effets mésoscopique dans les nano-objets
4) Les nanotubes de carbone
5) La  môletronique 
6) La  spintronique 

7) Les technologies d élaboration

8) Perspectives et conclusions
110
(No Transcript)
111
Exemples de problèmes non encore résolus
La résistance de contact est fonction de latome
de connexion
La résistance de contact est supérieure à la
résistance de la molécule
112
(No Transcript)
113
(No Transcript)
114
Lenseignement de la nanoélectronique

• Nécessité de former des ingénieurs
  pluridisciplinaire  électronique, physique
  classique, informatique, optique, mais aussi 
  chimie, neurobiologie, physique quantique, nano
  mécanique
•  
• Le contenu de lenseignement doit prendre en
  compte le passage de la civilisation industrielle
  à la civilisation cognitive
•  
• LISEP a pris linitiative de créer au sein de
  lEcole un groupe de travail pour jeter les bases
  dun enseignement futur adapté à lémergence de
  la nanoélectronique
•  
• Ce groupe de travail va être élargi aux autres
  écoles (Supélec, Ecoles de chimie et de biologie,
  Ecole polytechnique ) et aux industriels
•  
• Des recommandations sur les programmes futurs de
  formation en nanoélectronique seront faites

115
Conclusion 1

• Les promoteurs des nanosciences et des
  nanotechnologies sont nombreux, puissants et
  influents  les scientifiques et ingénieurs
  enthousiasmés par la perspective de percées
  fabuleuses  les industriels attirés par lespoir
  de marchés gigantesques  les gouvernements des
  nations et des régions du globe terrorisés à
  lidée de perdre une course industrielle,
  économique et militaire très rapide où vont se
  jouer les emplois, la croissance, les capacités
  de défense de demain

Le mieux que lon puisse espérer est
daccompagner, et si possible danticiper, la
marche en avant des nanotechnologies par des
études dimpact et un suivi permanent,
interdisciplinaire
Jean-Pierre Dupuy, Professeur de philosophie
sociale à Polytechnique
116
Se rendre maître de la Nature ?
117
Conclusion 2

• Depuis plus de quarante ans le chiffre daffaire
  mondial du marché de la microélectronique est en
  constante progression pour atteindre aujourdhui
  150 milliards deuros
• Il représentera, dans dix ans, plus de 40 du
  marché global de lélectronique (qui sera alors
  le marché dominant dans le monde)
• Une usine de fabrication de composants coûtera
  près de 50 milliards dEuros

118

• LEurope, les Etats Unis et le Japon
  investissent environ 700 millions dEuros par an
  dans les nanotechnologies
• LEurope, les Etats Unis et le Japon
  sorganisent en pôles de compétences, ou
   clusters  pour former des équipes
  pluridisciplinaires sur des thèmes dexcellence
  régionale
• Déjà, en France, a été lancé en 2003 un Réseau
  National en Nanosciences et Nano technologies
  (R3N) formé par six grands pôles réunissant
  chacun à la fois la recherche, le développement,
  lindustrialisation et lenseignement (Lille,
  Grenoble, Toulouse, Besançon, Ile de France et
  Marseille)

119

• L'enjeu est de taille les nanosciences et
  nanotechnologies, priorité nationale de grands
  pays comme les USA ou le Japon, sans oublier la
  Chine, vont sans conteste devenir l'une des
  premières sources de découvertes scientifiques et
  d'enrichissement économique
•  
• C'est un marché de plusieurs centaines de
  milliards d'euros qui s'ouvrira à nos entreprises
  d'ici 2010, si nous savons anticiper cette
  révolution technologique, préparer les
  découvertes en amont et transformer l'essai en
  aval, en faisant travailler l'ensemble
  des acteurs du domaine en parfaite synergie
• François dAubert, Minatec, 16 décembre 2004

120
Thank you for your attention