De la carte perforée à L atome...

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1 bertrand kierren - LPM PSV LPS Orsay De la carte perforée à L atome... CONQUETE

2 À l échelle du nano Le nano monde 1 nm 1 μm 1 mm 1 m Les nano technologies 1 nm = 1 millionième de mm = 10-9 m

3 Le nano pourquoi Pourquoi s'intèresser à l'échelle nanométrique? enjeux technologiques importants sciences fondamentales Un outil permet d accéder à cette échelle : Le microscope à effet tunnel

4 des zeros et des uns Le stockage de l'information numérique

5 Le codage numérique Codage sur 8 bits = 2 8 = 256 valeurs = 88 zoom octet valeurs de gris 1 photo de 1 Megapixels = 1 Mo!!! Codage possible sur 16 voire 32 bits Besoins en capacité de stockage

6 Les supports numériques : la préhistoire (numérique) les cartes perforées 1 trou = 0 pas de trou = 1 Densité: 4 bits/cm2 1 Mo: 200 m 2!!!

7 Le stockage magnétique Support magnétique : le disque dur

8 Le stockage magnétique Support magnétique : le disque dur Microscopie à force magnétique piste

9 Le stockage magnétique Principe de fonctionnement d un disque dur lecture écriture grain magnétique grain physique bit stocké Déplacement du disque

10 Le stockage magnétique Capacité des disques durs 1.5 m 15 cm 1.5 cm Seagate U serie 2000 IBM microdrive gbits IBM Ramac bits/cm Gbits/cm2 1.5 Gbits/cm 2

11 Le stockage magnétique Capacité des disques durs Aujourd hui: Commerce: Mb/cm 2 (100 Gbits/cm 2 ) Recherche: 1000 Gbits/cm 2 (1 Tbits/cm 2 ) L piste = 0.1μm = 100 nm L l matériau bit stocké magnétique Qu est ce qui limite la capacité de stockage? e piste = 0.01μm = 10 nm S bit = 0.03 μm = 30 nm

12 Le stockage magnétique Taille minimale : problème de la répulsion magnétique Deux effets antagonistes: taille du domaine / répulsion entre domaines Taille minimale imposée 30 nm

13 Le stockage magnétique Solution: Séparer physiquement les domaines magnétiques pour qu ils n interagissent plus entre eux 0 1 0

14 Le stockage magnétique Solution: Séparer physiquement les domaines magnétiques pour qu ils n interagissent plus entre eux La taille du grain physique détermine la taille d un bit agrégat = 1 bit

15 Le stockage magnétique Solution: Séparer physiquement les domaines magnétiques pour qu ils n interagissent plus entre eux Réduire la taille des agrégats?

16 Les nanotechnologies... L'apport des nano technologies et de la physique des surfaces Réduire la dimension d'un bit à quelques nanomètres ex : 1 bit = 1 nm Gbits/cm 2!!! (100 Tbits/cm 2 )

17 La croissance par jet moléculaire (atomique) Croissance de couches très minces : e = quelques nm Vide très poussé mbar substrat pompe Flux d atomes (quelques plans par minute) Creuset chauffé 1000 C

18 La croissance par jet moléculaire (atomique) Cellule d évaporation manipulateur

19 La croissance par jet moléculaire (atomique) Exemple: Fe/MgO/Fe Couche nanométrique d oxyde de magnésium Substrat de fer 1 nm Image LPM microscopie électronique en transmission : vue en coupe

20 La croissance par jet moléculaire (atomique) Les différents types de croissance Film mince îlots substrat substrat 3 couches d atomes = 1 nm 50 nm Films réalisés à partir d images de microscopie a effet tunnel B. Voigtlaender Julich :

21 Le microscope à effet tunnel I mesuré Variations Δz Le courant tunnel 1nA 0.001nA 0.1nm 1nm Distance pointe/surface Pointe conductrice H. Röhrer, G. Binnig (Nobel) Surface conductrice

22 Le microscope à effet tunnel Tête d un microscope à effet tunnel 15 cm

23 Le microscope à effet tunnel Une loupe pour l infiniment petit Surface du silicium Surface du cuivre Image LPM Image LPM 15 nm X 10 millions 1.5 nm X 100 millions

24 Croissance cristalline sur une surface Les premiers instants

25 Les atomes sont mobiles Déplacement des atomes sur la surface du platine Image F. Besebacher - Danemark 15 nm ( μm)

26 Croissance cristalline sur une surface Dépôt de cuivre sur une surface cuivre Grossissement : x 10 millions Image LPM Température de la surface = 20 C 12 nm 8.5 nm 50 nm ( 0.05 μm) microscopie à effet tunnel Agrégat de cuivre (îlot) Nano plot Taille 10 nm hauteur 0.18 nm

27 Croissance cristalline sur une surface Influence de la température de la surface Grossissement : x 10 millions T = 20 C T = 120 C Fer sur fer Image LPM Image LPM n plots = 1000 n plots = nm ( 0.1 μm) Distance entre deux plots: 2.2 nm Densité:10 Tera/cm 2 = Giga /cm nm ( 0.1 μm) Distance entre deux plots: 6.2 nm Densité:1 Tera/cm 2

28 auto organisation Lycée Pierre et Marie Curie - Neufchateau auto organisation sur les surfaces

29 auto organisation Croissance de plots de cobalt auto organisés Utilisation d une surface d or à marches (surface vicinale) Vue de dessus [111] [788] Vue de profil sens descendant 4 nm θ = 3,5 très grand nombre de marches de hauteur monoatomique réseau régulier 75 nm ( μm)

30 auto organisation Croissance de plots de cobalt auto organisés Utilisation d une surface d or à marches (surface vicinale) [111] [788] sens descendant Texture supplémentaire θ = 3,5 75 nm ( μm)

31 auto organisation Croissance de plots de cobalt auto organisés Utilisation d une surface d or à marches (surface vicinale) avant dépôt après dépôt 75 nm ( μm) 100 nm ( 0.1 μm)

32 auto organisation Croissance de plots de cobalt auto organisés Utilisation d une surface d or à marches (surface vicinale) avant dépôt après dépôt 40nm 75 nm ( μm) 200 nm ( 0.2 μm)

33 auto organisation Croissance de plots de cobalt auto organisés Utilisation d une surface d or à marches (surface vicinale) Après dépôt de cobalt 4 nm 1 bit = 28 nm 2 densité = Gbits/cm 2 7 nm 1 bit 100 nm ( 0.1 μm)

34 auto organisation Croissance de plots d argent auto organisés Utilisation d une surface d or à marches (surface vicinale) Température de la surface: C Température de la surface: C

35 auto organisation Fabrication d un motif artificiel par épitaxie 1 plan atomique d argent sur une surface de cuivre argent cuivre 8 atomes cuivre 9 atomes

36 auto organisation Fabrication d un motif artificiel par épitaxie 1 plan atomique d argent sur une surface de cuivre argent cuivre 8 atomes cuivre 9 atomes Apparition d un relief spontané

37 auto organisation Fabrication d un motif artificiel par épitaxie 1 plan atomique d argent sur une surface de cuivre 4 nm 7 nm après réorganisation de la surface

38 auto organisation Fabrication d un motif artificiel par épitaxie 1 plan atomique d argent sur une surface de cuivre 5 atomes 4 nm 2 nm 7 nm 2.5 nm après réorganisation de la surface

39 auto organisation Fabrication d un motif artificiel par épitaxie 1 plan atomique d argent sur une surface de cuivre bit = 4 nm 2 densité = bits /cm 2 = Gigabits /cm 2 = 25 Terabits /cm 2 8 nm ( μm)

40 Les nanotechnologies...de la carte perforée à l atome (ou presque) Conclusion La physique des nano objets est en plein essor Les dispositifs de stockage d'information de demain seront issus des nano technologies Densités de stockage trés importantes 10 Terabits /cm 2 1 encyclopédie de 20 volumes = 0,1 mm 2 1 CD/DVD = 5 millions de volumes