Des nanosciences aux nanotechnologies : mythes et réalités

Des nanosciences aux nanotechnologies :
mythes et réalités
Vincent Repain
12/11 : de la notion antique d’atome aux nanotechnologies
19/11 : impacts sociétaux des nanosciences
€
26/11 : la révolution des nano-dispositifs quantiques
suivi de
Façonner et observer la matière à l’échelle du nanomètre
Anne Anthore (3, 10 et 17 décembre)
Quelques ordres de grandeurs
Epicure (-341 -270)
Démocrite (-470 -370)
« Rien ne vient du néant, et rien, après
avoir été détruit, n'y retourne. »
ατοµος
: que l’on ne peut diviser
en opposition au néant
Daniel Bernoulli
(1700-1782)
Gaz = ensemble de
corpuscules en mouvement
John Dalton
(1766-1844)
Théorie atomique
fondée sur les progrès de la chimie
expérimentale
Tableau périodique de
Mendeleiev
Il y a cent ans l’existence des
atomes était controversée ...
Marcellin Berthelot, chimiste,
professeur au collège de france,
ne croyait pas aux atomes ...
Boltzmann, fondateur de la
thermodynamique statistique
était, lui, un atomiste convaincu.
Albert Einstein (1879-1955)
Jean Perrin (1870-1942)
Mouvement brownien
Mesure du nombre d’Avogadro
Découverte de l’électron et du noyau
Electron : J.J. Thomson en 1897
Noyau atomique : E. Rutherford en 1911
Modèle de Bohr en 1913
Taille du noyau : 10-15 m
Orbite des électrons : 10-10 m
Quantification des orbites
La mécanique quantique et
le modèle probabiliste
Modèle de Schrödinger en 1926
L’électron n’est pas une particule localisable,
il est décrit par une probabilité de présence
Contrôler l’infiniment petit
Séminaire visionnaire
de Richard Feynman en 1959 :
“There is Plenty of Room at the
Bottom”
http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
“What I want to talk about is the problem
of manipulating and controlling things on
a small scale.”
Les puces électroniques
La loi de Moore
Gordon Moore, co-fondateur d’Intel, 1965
www.physics.udel.edu
dot.che.gatech.edu
La taille d’un transistor diminue de moitié tous les deux ans
Réalisation par lithographie : 32 nm aujourd’hui
Approche top-down et
Roadmap Semiconducteur
G. Bourianoff
Intel
Le microscope à effet tunnel
Instrument inventé par G. Binnig et H. Rohrer
en 1982 à IBM Zurich.
Ils recoivent pour cette
invention le prix Nobel de Physique en 1986.
Principe de fonctionnement
Microscopie à champ proche
asservissement
I/V
actionneurs
piézoélectriques
pointe
y
z
x
Contrôle, traitement
échantillon
Vt
z
y
x
Itunnel
Le courant tunnel
I
Pointe
Pointe
Echantillon
Echantillon
V
Résolution atomique, sonde locale
Scanning Tunelling Microscope (STM)
Pb sur Ru(100)
Travailler sous vide ultime
Morphologie des surfaces
Surface d’or
(20x20 nm)
Morphologie des surfaces
Surface d’or
(200x200 nm)
après érosion
ionique
Voir les atomes
Au(111)
(17x17 nm)
Voir les atomes
31% Rh (clair) et
69% Pt (sombre)
Alliage 75% Rh
et 25% Pt en
volume
Atomes de Silicium
Premières images de résolution atomique en 1982
Les atomes en mouvement
Co sur Ag(111)
Les atomes en mouvement
Pt sur Pt(110)
La manipulation des atomes
Principe du déplacement d’un seul atome
Première démonstration de la Manipulation Atome par Atome
D. Eigler
Xe/Ni(111)
D.M. Eigler, E.K. Schweizer
Nature 344 (1990) 524
L’atome maîtrisé
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
Un enclos quantique
Ondes électroniques
à l’intérieur de l’enclos
Structures artificielles
Atome en Kanji
STM
CO-Man
KMC
Au sous-sol de ce bâtiment
Chimie atome par atome
Fabrication
de FeCO et
Fe(CO)2
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
…
Nanocomposants
Nanocomposants
Nanotube de
carbone
Les mémoires de demain
Projet Millipede IBM
-1000 pointes
-capacité de stockage
qqs centaines Gb/po2
-technologie de
remplacement des
mémoires Flash
-abandonné
Conclusion
Enjeux très importants :
-prochaine grande révolution technologique ?
-impacts sociétaires
-impacts économiques
présent
futur ?