Nanosciences et nanotechnologies Christian NgÄ Edmonium Conseil

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1 Nanosciences et nanotechnologies Christian NgÄ Edmonium Conseil LTM

2 Nano, un pråfixe Ç la mode Dimensions nm Nanophysique Nanochimie Nanobiologie Nano-Älectronique NanomÄdecine Nanotechnologies Nano-aliments etc. Etre capable de travailler au niveau atomique, moläculaire et supramoläculaire pour cräer et utiliser des structures de matäriaux et des systémes possädant des fonctions nouvelles CaractÄriser SynthÄtiser Fabriquer Assembler Mais oå les lois physiques peuvent Çtre diffärentes du domaine macroscopique Nanosurvol d un immense domaine

3 Echelle des dimensions du CentimÄtre au NanomÄtre. l Artificiel Du Naturel vers 10-2 m 10-3 m Fourmi 1 cm 10 mm 1,000,000 nanom tres = 1 millim tre (mm) Circuit intƒgrƒ 1cmÅ Le challenge du 21e siäcle Microsystƒmes m ~ 1 cm Acarien 200 m Pollen ~ m Le Micromonde Cheveu ~ m 10-4 m Globule rouge ~ 2-5 m 0.1 mm 100 m P O m 1,000 nanom tres = 1 microm tre ( m) Opale SiO2, nh2o ~ 0.2 m Le Nanomonde Spectre visible 10-6 m 0.01 mm 10 m 10-7 m 0.1 m 100 nm 10-8 m 0.01 m 10 nm 10-9 m 1 nanom tre (nm) Atomes de sili ium DixiÄmes de nm r alis partir de sources DOE O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O S S S S S S S S Interconnexions Circuit intƒgrƒ 1-0.1Çm Assembler des unit s l mentaires de taille nanom trique pour fabriquer des composants et syst mes pr sentant des propri t s inaccessibles jusqu alors Transistor ultime ~20 nm large ADN ~2-1/2 nm diamätre O Nanotubes alignƒs Nanotube de Carbone ~2 nm diamätre m 0.1 nm (1 Angstr m) Auto-organisation d atomes DixiÄmes nm

4 1959 R.Feynman : Ö There is plenty of room at the bottom Ü er brevet sur un composant d Älectronique moläculaire 1981 Microscope á effet tunnel (H. Rohrer et G.Binnig) 1985 C AFM Quelques Åtapes 1987 Transistor á 1 Älectron 1991 Nanotubes de carbone (S.Ijima) 1999 Contacteur basä sur l Älectronique moläculaire 2001 Portes logiques avec des nanotubes

5 Voir et manipuler Ç l Åchelle de l atomel Principe du microscope á effet tunnel Quantum corral (71,4 Angstràm) 48 adatomes (adsorbed atomes) de Fe sur Cu Source Louie A. Baca, Jr. and Eric Hagedorn D. Eigler, IBM

6 Damien Grenier, SATIE, ENS Cachan Bretagne

7 Les nanomateriaux DÄplacements d atomes sur une surface Kanji Ñ atome Ö Åcrit avec des atomes de Fe sur Cu STM : 1981 Corral Åcrit avec des atomes de Fe sur Cu Monoxide de carbone sur Platine D. Eigler D. Eigler D. Eigler

8 Les nanomatåriaux Nano-matÅriaux ComposÄs de nano-objets (1-100 nm) Nano-objets particules, tubes, couches-minces Utilisation directe nano-catalyseurs, nano-vecteurs, polissage Dans les matåriaux Nano-chargÄs, nano-renforcäs Nano-structurÄs en surface Nano-structurÄ en volume

9 Les nanomatåriaux Nano-chargÅs, nano-renforcås nouvelles fonctionnalitäs, amälioration des propriätäs mäcaniques, optiques, thermiques, etc. Ex: Peintures, vernis, crémes solaires (TiO 2 ), polissage wafers (Al 2 O 3 ), bäton (fumäes de silice), etc. Nano-structurÅs en surface par däpât physique ou chimique Ex: verres autonettoyants, mätallisation de polyméres, coloration ou protection de verres, etc. Nano-structurÅ en volume Contrâle de la porositä, de la ductilitä, etc. L argile, le bois, le calcaire sont des nanomatäriaux naturels

10 Des applications dans la vie de tous les jours Photocatalyse Christelle Gallet, ACNAN, ARDI

11 Nanocomposites,, Nano-encapsulation Plus läger et plus räsistant Il räduit la perte de CO 2 contenu dans la biére Fer mätallique encapsulä dans une gouttelette en Ämulsion. Utilisation remädiation des sites contaminated avec des contaminants organiques. (Source J.W. Quinn, Kennedy Space Center, NASA) Bouteille de biére composäe de particules de nano-argile (Nanocor Inc) De Suresh Neethirajan, EIT, UniversitÄ du Manitoba, Atelier de l innovation, Ottawa, 2007

12 MÅtal nanostructurå

13 Traitement de surface Analogie avec le lotus VISSAULT Emeric ARCHAMBEAU Tony Effet hydrophobe d un revçtement á base de Source: BASF

14 LES PUCES MICRO-ELECTRONIQUES AU QUOTIDIEN PÅse personne 1 puce T CafetiÅre Älectrique TÄlÄvision 10 puces T Voiture 30 puces T Auto-radio 1 puce T 5 puces T Maison Voiture Reveil matin 3 puces T Feu rouge 50 puces T Portable Travail PC et imprimante 50 puces T 10 puces T Organiser 5 puces T Carte bancaire Ascenseur 5 puces T 1 puce T

15 La raison du succüs s de la micro-ålectronique Une räduction des coçts unique dans l histoire de l industrie àvolution DU PRIX DE 1 Million de transistors Miniaturisation Traitement collectif ,5 0,5 cents 6 cents

16 ENIAC ~1950 Jornada ~2000 Volume diviså par 10 8 Puissance multipliåe par 10 8 R. Stanley Williams HP Labs

17 On fabrique chaque annåe e plus de transistors ÅlÅmentaires qu on ne produit de grains de riz Photo CEA Photo fr.ohmyglobe.com

18 Transistors per chip 10 9 Loi de Moore (proposäe en 1965) La puissance double tous les 18 mois Pentium Pro Pentium Year

19 2 Üme me loi de Moore Le coât t de fabrication double tous les 3 ans From J.C. Ellenbogen

20 Du micro au nano Lithographie 0,25 μm 0,18 μm 0,13 μm 90 nm 60 nm 45 nm Taille de la grille 0,20 μm 0,13 μm < 70 nm < 50 nm < 35 nm < 25 nm Wafer 200 mm 200 mm 200/300 mm 300 mm 300 mm 300 mm

21 Pourquoi une plus grande intågration? L homme veut pouvoir communiquer Ç tout moment et en tout lieu (systümes nomades, source d Ånergie, ) Aider l homme dans les tãches difficiles et/ou fastidieuses (microsystümes, robots, ) Marier vivant et technologie (biopuces, lab on chip, ) Une part de la complexitå de l homme est reportåe sur la machine Une Ålectronique toujours plus puissante, des moyens de stockage plus performants,. Exemple pour les particuliers besoins de stockage 2001 : 30 Go ; Go Entreprises multipliå par 50 entre 2001 et 2010 Futur la poussiüre intelligente

22 Vers une intågration de plus en plus grande On augmente la densitä et la taille des plaques de silicium

23 Microprocesseur et cerveau UnitÄ centrale Cerveau # de MOSFET ~ 10 7 # de cellules ~ # de switch ~ 10 7 # of switch ~ neurones # de connexions ~10 7 # de connections ~ synapses CÉblage: fixe flexible Architecture: sårie parallüle Source : nano.kaist.ac.kr/2001ch712

24 DRam versus ADN DRAM ADN Source : nano.kaist.ac.kr/2001ch712

25 Limitations de la technologie CMOS Limite physique fondamentale - 8 electrons par bit Coât de fabrication - $50 milliards/fab de J.C. Ellenbogen La limite de la loi de Moore est-elle elle sur le point d åtre d atteinte? De Semiconductor international

26 Les deux secrets de la micro-ålectronique Miniaturisation De plus en plus de transistors par centimütre carrå de Silicium Traitement collectif En 2015, l ensemble des livres de la BNF F. Mitterand sur une seule puce de silicium! De plus en plus de centimütres carrås de Silicium traitås simultanåment Plaques de silicium de 100, 200, puis 300 mm de diamütre 1 lot de fabrication Ç ST Crolles 1 : = 100 milliards de transistors!!! RÄductio n des coåts Source CEA Lot de fabrication

27 LES MICROTECHNOLOGIES exemple de l accl accålåromütre Principe masse en mouvement Automobile Airbag Roll-over (capteur de tonneau) AccÅlÅromÜtres MÅdical Pace-maker

28 Pourquoi plus petit? Plus rapide Consomme moins d Ånergie Plus de transistors par unitå de surface Limites thåoriques Limite thermique Ånergie nåcessaire pour Åcrire un bit kt. Pour le CMOS 10 6 ev (10 10 K). Limite 2eV Limite quantique E t>=h E/f=100h Dissipation thermique DensitÅ de puissance P=Efnp. N densitå d intågration, p probabilitå pour que le systüme bascule lors d un cycle d horloge (p 0,1). On doit avoir p< 100 W/cm 2

29 Avik Ghosh, Electrical and Computer Engineering, University of Virginia

30 Qu est est-ce que la nano-ålectronique? Domaine des dispositifs contrâläs par les propriätäs Älectroniques de matäriaux dont les dimensions sont infärieures á 100 nm ( 1/1000 le diamétre d un cheveux) Ce peut Çtre le prolongement de la micro- Älectronique classique Mais, au dessous de certaines dimensions, il peut apparaçtre des effets quantiques. Ces dimensions däpendent du phänoméne considärä

31 Effets quantiques La mäcanique quantique peut däcrire les phänoménes classiques ou quantiques Une particule peut se comporter comme une onde (ex : diffraction d Älectrons) Une onde peut se comporter comme un corpuscule (ex : effet photoälectrique) Effet quantique effet diffärent de ce qui est observä pour des dimensions supärieures Ex : variable continue qui devient discontinue

32 Le mur quantique On ne peut pas räduire les dimensions Å l infini CrÅer un Ñ atome artificiel Ö råglable taille niveaux Ö atomiques Ü räglables Änergie Classique Massif Quelques dizaines d atomes Änergie Quantique kt? Marqueurs fluorescents, lasers,. Effets quantiques : ceux qui sont diffärents des effets classiques connus aux plus grandes dimensions fonctionnement diffärent

33 Approches top-down et bottom-up Micro-Älectronique et nano-älectronique : approche top-down Électronique moläculaire : approche bottom-up

34 Nano-Ålectronique et Ålectronique molåculaire : pourquoi? Les dispositifs nano ou molåculaires ne s imposeront par rapport Ç la micro-ålectronique que s ils : Apportent de nouvelles fonctionnalitå Font baisser les coâts Accroissent notablement les performances Ç un coât Ågal ou peu supårieur On est loin d avoir des dispositifs ayant les måmes capacitås cognitives que l homme La nano-ålectronique court et moyen terme L Ålectronique molåculaire long terme çm

35 m La taille diminue nm Beaucoup de dåfis d Ç råsoudre Micro-Ålectronique ( 30-50nm quand la fin?) Lithographie (on ne peut plus courber les rayons lumineux), Au-delá des problémes techniques, les investissements deviennent colossaux. Le frein viendra-t-il de la technique ou de la finance? Nano-Ålectronique, nanosciences Le mur quantique Imaginer, räaliser, caractäriser, comprendre, fabriquer Composants fonctionnant á T ordinaire, àlectronique molåculaire Construire des systümes par autoassemblage Adressage, interconnexions, architecture,.? Miniaturisation Fabrication collective Prix bas àvolution vers des systümes hybrides

36 DES NANO-OBJETS OBJETS INTEGRES DANS LA MICROELECTRONIQUE (Nano inside) La nano-älectronique s introduira grèce á la micro-älectronique T Al S Si-p Si-n + T2 T1 Si-QD Croissance élots Si sur SiO 2 D Un exemple Robustesse du systçme pour conserver l information Analogie MÄmoire classique = un ballon MÄmoire nano = papier bulles MÅmoire non volatile "nano inside" Control Gate gate SiO 2 : 8nm Si substrate Si Quantum Dot Al 2 O 3 : 1nm SiO 2 : 2nm

37 L approche bottom-up L Ålectronique molåculaire Composants Ålectroniques faits avec des nanotubes de carbone CEA-Motorola Current ( ÄA ) 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5 Gate Voltage 30V -30V -2,0-0,6-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 Voltage ( V ) Projet IST Source Metal Drain SiO 2 Si Gate

38 è quand la nanoålectronique? La micro-ålectronique, basåe sur la technologie actuelle actuelle va continuer vers Est-ce la physique ou l Åconomie qui ralentira l Åvolution? L Åvolution se fera vers des systümes hybrides (Nano inside) L Ålectronique molåculaire est pour un futur plus lointain

39 Technologie et biologie Technologie Biologie Artificiel BasÅ sur le Si FabriquÅ RÅcent Logique, numårique Naturel Chimie du C auto-assemblå Longue histoire RÅplication, adaptation, tolårance aux fautes Source : nano.kaist.ac.kr/2001ch712

40 Marier l inerte l et le vivant MicrosystÜmes biologiques Les enjeux Miniaturiser / paralläliser / automatiser les procädäs d analyse biologique pour traiter ADN, ProtÄines, Cellules. Les avantages rapiditä, fiabilitä, coåt, sensibilitä probe A probe B probe C Source CEA

41 Les biopuces Source : P.J.Lamy, Montpellier

42 Les grandes familles de biopuces complexitä des objets et des paramétres puces á ADN, puces á protäines Substrat statique: analyse des macromoläcules Laboratoires sur puces + microfluidique: incorporation de räactions enzymatiques CellChips + intägration du vivant ADN protåine Source CEA

43 Certains phånom nomünes nes physiques deviennent preåpond pondårants, d autres mineurs Exemple : microfluidique Dans les micro-äcoulements, on a systämatiquement des faibles nombres de Reynolds Les Äcoulements sont systämatiquement laminaires ImpossibilitÄ de cräer une turbulence Damien Grenier, SATIE, ENS Cachan Bretagne

44 Damien Grenier, SATIE, ENS Cachan Bretagne

45 Nano-encapsulation Pain ÑTip-Top UpÖ contenant de l omåga 3 Canola Active Oil Les nanocapsules contiennent de l huile de thon. Les nanocapsules se dissolvent seulement dans l estomac. Nanoencapsulation de phytostårols fortifiås. RÅduction l ingestion de cholestårol de 14 %. Source : Boulangerie Tip Top, Australie Source : Shemen Industries, Israël Transparent de Suresh Neethirajan, EIT, UniversitÄ du Manitoba, Atelier de l innovation, Ottawa, 2007

46 Nanobioluminescence (vaporisation d un marqueur) La protäine luminescente crääe par la nanotechnologie Ämet une lueur visible sur la surface de la salmonelle et du colibacille. Source : AgroMicron Ltd. Transparent de Suresh Neethirajan, EIT, UniversitÄ du Manitoba, Atelier de l innovation, Ottawa, 2007

47 Laboratoire sur puce Puce utilisåe pour analyser la qualitå Puce du laboratoire de protåines Source : Sandia National Laboratories, êtats-unis; CSIRO, Australie; Agilent Technologies Transparent de Suresh Neethirajan, EIT, UniversitÄ du Manitoba, Atelier de l innovation, Ottawa, 2007

48 Nano-alimentation alimentation Le nano-sälänium peut empçcher la grippe aviaire Source : Biofactors Journal, 2001 et Altair Nanotechnologies Ltd L alimentation du poulet contient des nanoparticules de polystyréne qui s attachent aux bactäries qui s attaquent aux poulets pourrait se substituer á l utilisation d antibiotiques Transparent de Suresh Neethirajan, EIT, UniversitÄ du Manitoba, Atelier de l innovation, Ottawa, 2007

49 Roadmap? M.C.Rocco, EPA (US environmental protection agency)

50 Conclusion Tous les domaines sont concernås Driving force: Smaller, faster, cheaper Approche pluridisciplinaire Avoir les bons outils de caractårisation, notamment rayonnement synchrotron, sources de neutrons ModÅlisation-simulation dont modålisation multiåchelles (du micro au macro) Fabrication collective ou auto-organisåe SystÜmes hybrides, notamment coupler l inerte et le vivant