Façonner et observer la matière à l échelle du nanomètre Anne Anthore
03/12 : Concevoir et réaliser des nanomatériaux 10/12 : Observer les nanomatériaux 17/12 : Les nanomatériaux dans les objets quotidiens
Concevoir et réaliser des nanomatériaux
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
Deux approches Approche «Top-Down» Approche «Bottom-up»
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, )
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
La lithographie Lithographie optique Pixel d un détecteur infrarouge Lithographie électronique Nanocoupure
Principe de la lithographie résine Substrat Etape 1 : enduction de résine Etape 2 : insolation Etape 3 : développement
Enduction de résine 5000 trs/mn Substrat de silicium tournette
Lithographie optique Résolution 1 µm Champ :75mm x 75 mm
Lithographie électronique Faisceau d électrons En lithographie : Résolution < 100 nm sur 200 x 200 µm microscope électronique à balayage
Lithographie : réalisation d un masque
Dépôt de matière Etape 4 : dépôt de métal Etape 5 : «lift-off» Contrôle de l épaisseur au dixième de nanomètre
Retrait de matière Gravure humide Gravure sèche
Exemples de lithographie ultime Recherche appliquée réalisés par lithographies optique et électronique
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)
Exemples de lithographie : Industrie réalisés par lithographies optique Têtes de lecture disque dur (plus de 60 étapes) Microprocesseurs (20 étapes) 10 µm
Salles blanches Usine de Springton (Etats Unis) Fabrication de tête de lecture Seagate IEF, université Paris Sud Recherche fondamentale et appliquée
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 1 10 2 ISO 2 100 24 10 4 ISO 3 1,000 237 102 35 8 ISO 4 10,000 2,370 1,020 352 83 ISO 5 100,000 23,700 10,200 3,520 832 29 ISO 6 1,000,000 237,000 102,000 35,200 8,320 293 ISO 7 352,000 83,200 2,930 ISO 8 3,520,000 832,000 29,300 ISO 9 35,200,000 8,320,000 293,000 Université Paris Diderot : Classe 10000 Salle blanche industrielle : Classe 10 ou 100
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
Renouvellement de l air et filtrage Salle blanche
Travail sous hotte Extraction Flux laminaire Acide/ solvant EDI
Galerie technique
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
Sources de particules Particules de 65 µm Particules de 20 µm Particules de 75 µm Particules de 4 µm Particules de 5µm
Blouse Recherche Entrée en salle blanche Industrielle Surchausses
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
La manipulation des atomes Principe du déplacement d un seul atome
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: http://www.almaden.ibm.com
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-
Auto-organisation : voie chimique Interactions stérique et capillaire : (A) (C) Réseau de nanoparticules de FePt 4.48±0.15 nm(3.3%) 0.14 0.12 4.48±0.15 nm (3.3%) Population % 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 3.911 4.168 4.426 4.684 4.942 Size (nm) 20 nm
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
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)