nanosciences et nanotechnologies - physicien.

nanosciences et nanotechnologies - physicien. 1 PRÉSENTATION nanosciences et nanotechnologies, ensemble des sciences et techniques visant à la maîtrise et à la fabrication d'objets de dimension moléculaire, voire atomique. Le signal de départ de la course à la miniaturisation extrême est donné en 1959 par Richard Feynman, physicien théoricien américain qui reçoit le prix Nobel en 1965. En effet, lors d'une conférence donnée au California Institute of Technology (Caltech), Richard Feynman s'exclame : « pourquoi ne pourrait-on pas écrire la totalité de l'Encyclopaedia Britannica sur la tête d'une épingle ? «. Les moyens de miniaturisation et d'observation n'existent alors pas encore. Ils apparaissent progressivement, grâce notamment à l'invention du microscope à effet tunnel (voir microscope-sonde à balayage) par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer en 1981 -- invention qui leur vaut le prix Nobel en 1985 -- et au développement de moyens de lithographie et de gravure de plus en plus performants. 2 NANOTECHNOLOGIES : ÉTAPE ULTIME DE LA MINIATURISATION L'unité de mesure des nanotechnologies est le nanomètre (nm), c'est-à-dire le milliardième de mètre (1 nm = 10-9 m). C'est à peu près la longueur représentée par une chaîne de 3 atomes. Cette dimension est donc très proche de la taille des briques élémentaires de la matière. Pour cette raison, les nanotechnologies constituent certainement l'étape ultime de la miniaturisation. Par « nanotechnologies « on désigne clairement toutes les techniques de fabrication d'objets de dimensions nanométriques. Pour comprendre les propriétés de ces objets, il est nécessaire de mobiliser tout l'arsenal des sciences : la physique, la chimie, la mécanique, voire la biologie sont mises à contribution. Ceci fait que le concept de « nanosciences « recouvre en fait un large ensemble de connaissances. Nanosciences et nanotechnologies apparaissent ainsi comme les deux aspects complémentaires et indissociables des savoirs à mobiliser pour aboutir à la maîtrise d'objets minuscules. 3 LOI DE MOORE ET ROADMAP La réalisation de microcircuits électroniques (voir circuit intégré) passe par diverses opérations de lithographie et de gravure, qui permettent de dessiner dans le silicium les motifs du circuit. La résolution, c'est-à-dire la taille des plus petits motifs réalisables, est de plus en plus réduite. Cette réduction des dimensions permet d'augmenter la complexité et la densité des circuits électroniques, qui sont réalisés sur un même carré de silicium, souvent appelé puce (en souvenir de l'époque où il ne mesurait pas plus de 1 mm2). En 1965, Gordon Moore, l'un des fondateurs de la société américaine Intel, observe que la densité des circuits réalisés sur une même puce montre une croissance continue, conduisant tous les ans à un doublement du nombre de transistors. Cette observation, baptisée « loi de Moore « et réévaluée en 1975 -- la densité des transistors double en fait tous les dix-huit mois --, est toujours vérifiée au début de XXIe siècle. Elle s'accompagne d'une prévision : la roadmap (littéralement « carte routière «). Les industriels de la microélectronique planifient en effet les performances des circuits à réaliser et leur échéancier de fabrication dans un document baptisé la « SIA Roadmap « : c'est le plan de route de la microélectronique remis à jour chaque année par la Semiconductor Industry Association (SIA) -- organisme représentant les principaux vendeurs de semi-conducteurs. 4 INSTRUMENTATION DES NANOTECHNOLOGIES Les composants de la microélectronique ont des dimensions de plus en plus réduites. En 2002, les plus petits motifs sont inférieurs à 100 nm. Les projections visent à atteindre des dimensions de 45 nm en 2008. Ceci est rendu possible par la mise au point d'outils de lithographie et de gravure d'une part, d'instruments de caractérisation d'autre part, qui sont de plus en plus performants. 4.1 Lithographie optique Lithographie et gravure permettent d'ouvrir des fenêtres de très petites dimensions dans une couche d'oxyde de silicium (SiO2) recouvrant une tranche de silicium. La lithographie optique utilise un rayonnement ultraviolet pour faire l'image d'un masque optique sur une couche de résine qui recouvre la surface du silicium oxydé. Dans les zones éclairées, la résine est fragilisée par le rayonnement et éliminée par un solvant ; alors que dans les zones non éclairées, elle reste en place et protège l'oxyde de silicium. La résolution finale de la lithographie étant limitée par les phénomènes de diffraction, il faut travailler avec des longueurs d'onde de plus en plus courtes. En 2003, ce sont les longueurs d'onde de 248 nm ou 193 nm -- produites par des lasers à excimères (laser utilisant un mélange de gaz rares et d'halogènes) -- qui sont généralement utilisées. Dans l'avenir, on prévoit d'utiliser des longueurs d'onde extrêmement courtes, de l'ordre de 10 nm seulement, à la frontière entre l'ultraviolet et les rayons X. 4.2 Lithographie électronique Toutefois, la meilleure façon de réaliser de petits motifs réside dans l'utilisation de faisceaux d'électrons pour lesquels la limite de diffraction est très petite. Il est alors possible de réaliser des motifs de 5 à 10 nm seulement, en utilisant un faisceau d'électrons bien focalisé que l'on balaie à la surface de la tranche de silicium recouverte d'une résine sensible aux électrons. L'inconvénient de cette technique -- qui n'utilise pas de masques -- réside dans le temps nécessaire pour insoler les différents motifs qui doivent couvrir la totalité d'une plaque de silicium. Si la lithographie par faisceaux d'électrons, appelée lithographie électronique, ne constitue pas encore une technique de choix pour des procédés industriels (du fait de la lenteur de sa mise en oeuvre), elle reste d'une utilité impérative pour la préparation des masques de la lithographie optique. 4.3 Gravure Une fois l'étape de lithographie achevée, le motif dessiné dans la résine est transféré dans l'oxyde de silicium, ou dans le silicium sous-jacent, par une étape de gravure. On utilise généralement des ions qui viennent frapper la surface et creusent la matière en limitant au maximum la gravure sous le masque, ce qui entraînerait un élargissement des motifs. Par la suite, des impuretés sont introduites par implantation ionique à travers ces fenêtres. Elles servent à doper le silicium et à définir ainsi les différentes régions d'un transistor (voir semi-conducteur). 4.4 Caractérisation La caractérisation des composants réalisés utilise de plus en plus des moyens d'observation dérivés du microscope à effet tunnel : il s'agit fréquemment du microscope à force atomique -- ou Atomic Force Microscope (AFM). Une pointe est approchée de la surface jusqu'à une distance de l'ordre de 1 nm. Cette pointe est portée par le bras d'un diapason vibrant. Lorsque la pointe entre en interaction avec les orbitales électroniques des atomes de la surface, elle voit ses vibrations amorties. Les mouvements de la pointe -- pour l'approcher de la surface ou la déplacer parallèlement à celle-ci -- sont réalisés par un ensemble de transducteurs piézo-électriques. Cette méthode permet de dresser une cartographie de la topographie de la surface, avec une résolution très proche de la taille des atomes. En outre, le microscope AFM ne nécessite pas de mettre l'échantillon sous vide. Une autre technique d'observation est le microscope à effet tunnel ou Scanning Tunneling Microscope (STM) -- voir microscope-sonde à balayage. Dans ce cas, la pointe est métallique et la surface doit être conductrice ou semi-conductrice. La mesure du courant qui passe entre la pointe et la surface permet de s'approcher jusqu'à une distance bien définie. Typiquement, le courant tunnel entre la pointe et la surface est de 1 nA (nanoampère) pour une distance de 0,5 nm. Le déplacement de la pointe au-dessus de la surface -- tout en maintenant le courant à une valeur constante -- permet de dresser une carte topographique et chimique de celle-ci, jusqu'à la résolution atomique (10 10 m). Il est possible de repérer des atomes étrangers déposés sur une surface et de les pousser jusqu'en des positions prédéfinies. Cette technique a ainsi permis d'écrire avec des atomes -- le physicien Donald Eigler, travaillant chez IBM, est le premier à avoir utilisé cette technique pour écrire le sigle « IBM « en 1989 avec des atomes de xénon. 5 STOCKAGE DE L'INFORMATION Le stockage de l'information à haute densité sera l'un des grands bénéficiaires des techniques de miniaturisation extrêmes. Par exemple, une technologie industrielle de stockage de l'information a été dérivée de la méthode d'écriture utilisant des pointes. C'est le projet « Millipede « d'IBM. Une batterie de 1 024 pointes (32 rangées de 32 pointes) est capable de lire simultanément l'information écrite sous forme d'indentations dans une couche de résine (la présence ou non d'un trou étant interprétée respectivement comme un 1 ou un 0). Cette technologie permet d'atteindre une densité d'information stockée de 100 à 200 gigabits par pouce carré. L'information peut également être stockée sous forme magnétique. On atteint des densités comparables en préparant de petits îlots magnétiques dont l'aimantation reste perpendiculaire à la surface, dans un sens ou dans l'autre (voir magnétisme [physique]). Le sens de l'aimantation, vers le haut ou vers le bas, constitue le bit d'information élémentaire. La taille des plots peut atteindre environ 20 ou 30 nm. L'information est lue avec une tête sensible à l'aimantation et qui vole au-dessus de la surface. À plus long terme, on imagine que l'information pourra être stockée directement dans des molécules uniques, dont la conductivité, par exemple, pourrait être modifiée à volonté. Ce sera l'ère de l' « électronique moléculaire «, qui pourrait prendre le relais de la microélectronique tout-silicium. Cependant, cela exige encore de nombreux développements tant en recherche fondamentale qu'en technologie ou en organisation des circuits de traitements de l'information. 6 ENJEUX DES NANOTECHNOLOGIES Les micro- et nanotechnologies sont nées du développement de la microélectronique en silicium. Cependant les techniques de miniaturisation vont diffuser dans de nouveaux domaines de la science et de la technologie, car elles permettront de fabriquer des objets industriels en très grand nombre et à coût réduit. Les biopuces, les microlaboratoires sur puce, les microsystèmes électromécaniques (encore appelés MEMS) en sont des exemples. Lorsqu'un produit est arrivé au stade industriel et si la production en est suffisante, le prix de chaque produit peut être considérablement abaissé. Pour ces raisons, il est prévisible que l'utilisation des produits issus des nanotechnologies va se répandre au sein de la société. 7 MONDIALISATION DES NANOSCIENCES ET NANOTECHNOLOGIES L'industrie microélectronique est devenue une industrie lourde par l'ampleur des investissements à consentir et par la part grandissante que les objets électroniques prennent dans tous les produits industriels (l'automobile par exemple). La diffusion des nanotechnologies dans des domaines tels que la biologie, l'instrumentation médicale ou la surveillance de l'environnement va encore accroître cet effet. Par ailleurs, la miniaturisation poussée exige la collaboration de nombreuses disciplines scientifiques, la collaboration entre chercheurs et industriels, une réflexion sur les usages, etc. Aux États-Unis, en Asie et en Europe se créent des campus dédiés au développement des nanotechnologies et qui cherchent à associer sur un même site tous les acteurs de l'innovation. Des efforts importants sont consentis aussi bien en ce qui concerne l'investissement dans les structures de recherche que dans la formation. On considère que les nanotechnologies, associées d'ailleurs au développement des sciences biologiques et cognitives, seront l'un des piliers de l'évolution technologique du XXIe siècle. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.