Façonner et observer la matière à l échelle du nanomètre. Anne Anthore

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1 Façonner et observer la matière à l échelle du nanomètre Anne Anthore

2 03/12 : Concevoir et réaliser des nanomatériaux 10/12 : Observer les nanomatériaux 17/12 : Les nanomatériaux dans les objets quotidiens

3 Concevoir et réaliser des nanomatériaux

4 Du macroscopique au nanoscopique Structures naturelles chat puce cheveu globule rouge ADN atome 1 m 1 µm 1 mm 1 nm montre tête d épingle MEMs circuit intégré nanotube corail quantique Structures artificielles

5 Deux approches Approche «Top-Down» Approche «Bottom-up»

6 Top-down Matière figée (surfaces ) Bottom-up Matière mobile (aérosols, solutés, usure ) Marchés : ordinateur (processeur, mémoire, disque dur ) électroniques (grand public, RFID ) communications (sources et détecteurs de photons ) énergies (solaire ) Marchés : matériaux (polymères, verres ) catalyse (dépollution, chimie industrielle ) médecine (traçage, vectorisation ) Pharmaceutique (crème solaire, )

7 Approche «Top-Down» : Broyage Lithographie Type de lithographie Taille du stylo Optique 1 µm Électronique 10 nm Par Microscopie en champ proche 100 nm Coupe, 4 ème siècle

8 La lithographie Lithographie optique Pixel d un détecteur infrarouge Lithographie électronique Nanocoupure

9 Principe de la lithographie résine Substrat Etape 1 : enduction de résine Etape 2 : insolation Etape 3 : développement

10 Enduction de résine 5000 trs/mn Substrat de silicium tournette

11 Lithographie optique Résolution 1 µm Champ :75mm x 75 mm

12 Lithographie électronique Faisceau d électrons En lithographie : Résolution < 100 nm sur 200 x 200 µm microscope électronique à balayage

13 Lithographie : réalisation d un masque

14 Dépôt de matière Etape 4 : dépôt de métal Etape 5 : «lift-off» Contrôle de l épaisseur au dixième de nanomètre

15 Retrait de matière Gravure humide Gravure sèche

16 Exemples de lithographie ultime Recherche appliquée réalisés par lithographies optique et électronique

17 Exemples de lithographie Recherche fondamentale réalisés par lithographies optique et électronique 10 µm Circuit électronique réalisant un bit quantique (CEA Saclay) (3 étapes) 200 nm Nanofil en or (Université Paris Diderot) (3 étapes)

18 Exemples de lithographie : Industrie réalisés par lithographies optique Têtes de lecture disque dur (plus de 60 étapes) Microprocesseurs (20 étapes) 10 µm

19 Salles blanches Usine de Springton (Etats Unis) Fabrication de tête de lecture Seagate IEF, université Paris Sud Recherche fondamentale et appliquée

20 Qu est ce qu une salle blanche? particle/m³ Clas s 0.1 µm 0.2 µm 0.3 µm 0.5 µm 1 µm 5 µm ISO ISO ISO 3 1, ISO 4 10,000 2,370 1, ISO 5 100,000 23,700 10,200 3, ISO 6 1,000, , ,000 35,200 8, ISO 7 352,000 83,200 2,930 ISO 8 3,520, ,000 29,300 ISO 9 35,200,000 8,320, ,000 Université Paris Diderot : Classe Salle blanche industrielle : Classe 10 ou 100

21 Les particules Nombre de particules de 0,5 µm Rue, forte circulation : 1 milliard Centre ville : 100 millions Autoroute moyenne : 10 millions Campagne : 1 million

22 Renouvellement de l air et filtrage Salle blanche

23 Travail sous hotte Extraction Flux laminaire Acide/ solvant EDI

24 Galerie technique

25 Contamination Une personne perd 10 g de peau par jour 5 millions particules de 0.5 mm par minute 100 mille particules de 0.5 mm par minute

26 Sources de particules Particules de 65 µm Particules de 20 µm Particules de 75 µm Particules de 4 µm Particules de 5µm

27 Blouse Recherche Entrée en salle blanche Industrielle Surchausses

28 L essor du bottom-up Manipulation d atomes CO man : molécules de monoxyde de carbone assemblées par la pointe d un microscope à effet tunnel (P. Zeppenfeld et D. Eigler) Organisation colloïdale Nanoparticules de FePt de 6 nm réalisées par voie chimique et auto-organisées sur une surface (Sun et al) Croissance organisée Nanoplots de Co de 2 nm naturellement organisés après une évaporation thermique

29 La manipulation des atomes Principe du déplacement d un seul atome

30 Exemple de réalisation Atomes de Fe sur Cu (111) T = 4,2 K (-269 C) Ultra High Vacuum D. Eigler et col. IBM Research Division, Almaden Research Center, California,USA site WEB:

31 Réalisation de nanoparticules en solution précipitation d'un sel : OH HAuCl 4 + NaOOC CH 2 C CH 2 COONa COONa H 2 O Au décomposition de précurseurs : TOPSe + Cd(CH 3 ) 2 TOPO micelles inverses comme nanoréacteurs : Fe(CO) 5, -CO TOPO : tri-octylphosphine oxide Pt(acac) 2 + 2e-

32 Auto-organisation : voie chimique Interactions stérique et capillaire : (A) (C) Réseau de nanoparticules de FePt 4.48±0.15 nm(3.3%) ±0.15 nm (3.3%) Population % Size (nm) 20 nm

33 Réalisation de nanoparticules supportées par nucléation-croissance Pt/Pt(111) pour différentes températures du substrat lors du dépôt T = 280 K T = 640 K T = 750 K 25 nm 100 nm 150 nm

34 Nanoparticules de Ge auto-organisées sur une surface lithographiée de Si(111) Auto-organisation : voie physique Effets des contraintes élastiques Si 0.25 Ge 0.75 / Si(100) Croissance guidée sur substrat structuré Ilôts d azote sur une surface Cu(100) Zhong et al Appl. Phys. Lett. 84, 1922 (2004)