Nanosciences et nanotechnologies Christian NgÄ Edmonium Conseil LTM edmonium@gmail.com
Nano, un pråfixe Ç la mode Dimensions 1-100 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
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 10-100 m ~ 1 cm Acarien 200 m Pollen ~ 10-20 m Le Micromonde Cheveu ~ 10-50 m 10-4 m Globule rouge ~ 2-5 m 0.1 mm 100 m P O -5 10 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 10-10 m 0.1 nm (1 Angstr m) Auto-organisation d atomes DixiÄmes nm
1959 R.Feynman : Ö There is plenty of room at the bottom Ü 1974 1 er brevet sur un composant d Älectronique moläculaire 1981 Microscope á effet tunnel (H. Rohrer et G.Binnig) 1985 C 60 1986 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
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
Damien Grenier, SATIE, ENS Cachan Bretagne
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
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
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
Des applications dans la vie de tous les jours Photocatalyse Christelle Gallet, ACNAN, ARDI
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
MÅtal nanostructurå
Traitement de surface Analogie avec le lotus VISSAULT Emeric ARCHAMBEAU Tony Effet hydrophobe d un revçtement á base de Source: BASF
LES PUCES MICRO-ELECTRONIQUES AU QUOTIDIEN PÅse personne 1 puce 10 000 T CafetiÅre Älectrique TÄlÄvision 10 puces 10 000 000 T Voiture 30 puces 10 000 000 T Auto-radio 1 puce 10 000 T 5 puces 100 000 T Maison Voiture Reveil matin 3 puces 200 000 T Feu rouge 50 puces 100 000 000 T Portable Travail PC et imprimante 50 puces 300 000 000 T 10 puces 10 000 000 T Organiser 5 puces 30 000 000 T Carte bancaire Ascenseur 5 puces 5 000 000 T 1 puce 2 000 000 T
La raison du succüs s de la micro-ålectronique Une räduction des coçts unique dans l histoire de l industrie 75 000 àvolution DU PRIX DE 1 Million de transistors 6 000 450 Miniaturisation Traitement collectif 120 30 5 0,5 0,5 cents 6 cents 1973 1977 1981 1984 1987 1990 1995 2000 2005
ENIAC ~1950 Jornada ~2000 Volume diviså par 10 8 Puissance multipliåe par 10 8 R. Stanley Williams HP Labs
On fabrique chaque annåe e plus de transistors ÅlÅmentaires qu on ne produit de grains de riz Photo CEA Photo fr.ohmyglobe.com
Transistors per chip 10 9 Loi de Moore (proposäe en 1965) La puissance double tous les 18 mois 10 8 10 7 Pentium 80786 Pro 10 6 10 5 8086 80386 80286 80486 Pentium 10 4 8080 4004 10 3 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Year
2 Üme me loi de Moore Le coât t de fabrication double tous les 3 ans From J.C. Ellenbogen
Du micro au nano 1997 1999 2001 2003 2005 2007 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
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 ; 2010 125 Go Entreprises multipliå par 50 entre 2001 et 2010 Futur la poussiüre intelligente
Vers une intågration de plus en plus grande On augmente la densitä et la taille des plaques de silicium
Microprocesseur et cerveau UnitÄ centrale Cerveau # de MOSFET ~ 10 7 # de cellules ~ 10 12 # de switch ~ 10 7 # of switch ~ 10 11 neurones # de connexions ~10 7 # de connections ~ 10 15 synapses CÉblage: fixe flexible Architecture: sårie parallüle Source : nano.kaist.ac.kr/2001ch712
DRam versus ADN DRAM ADN Source : nano.kaist.ac.kr/2001ch712
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
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
LES MICROTECHNOLOGIES exemple de l accl accålåromütre Principe masse en mouvement Automobile Airbag Roll-over (capteur de tonneau) AccÅlÅromÜtres MÅdical Pace-maker
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
Avik Ghosh, Electrical and Computer Engineering, University of Virginia
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
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
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
Approches top-down et bottom-up Micro-Älectronique et nano-älectronique : approche top-down Électronique moläculaire : approche bottom-up
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 2000 1 çm
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
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
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-1999-10593 Source Metal Drain SiO 2 Si Gate
è quand la nanoålectronique? La micro-ålectronique, basåe sur la technologie actuelle actuelle va continuer vers 2010-2015 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
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
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
Les biopuces Source : P.J.Lamy, Montpellier
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
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
Damien Grenier, SATIE, ENS Cachan Bretagne
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
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
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
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
Roadmap? M.C.Rocco, EPA (US environmental protection agency)
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