technologies pour la santé
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Nanosciences, nanotechnologies Nanomatériaux pour les nouvelles technologies pour l’énergie (technologies pour la santé) Nanostructures pour la microélectronique --------------------------------Motivations du passage à l’échelle nanométrique, directions de recherche et enjeux Yves Samson directeur du programme transversal nanosciences (CEA) Aix en Provence 08 juillet 2011 1 Un espoir face aux enjeux sociétaux et économiques énergie, santé, technologies de l’information… CEA Grenoble-INAC, nano-arbres de silicium Nanosciences, nanotechnologies Une vive compétition internationale Assurer un développement responsable sécurité des nanomatériaux information et débat Aix en Provence 8 juillet 2011 2 Nanotechnologies – champs de recherche: Etats-Unis NNI (National Nanotechnology Initiative) programme fédéral inter-agences Assurer le leadership américain sur les nanotechnologies (santé, économie, sécurité nationale) Croissance forte de la contribution DOE (Dept of Energy): les nanotechnologies pour répondre aux enjeux énergétiques Source: rapport ambassade de France à Washington (2011) Aix en Provence 08 juillet 2011 3 Nanotechnologies et nanosciences: CEA NTE TIC Santé Contrat de performance CEA-Etat (2011) www.cea.fr/le_cea/actualites Aix en Provence 08 juillet 2011 4 Positionnement CEA sur l’énergie (contrat de performance CEA-Etat) Contribution des nanotechnologies Aix en Provence 08 juillet 2011 5 Pourquoi les nanos (photovoltaïque)? Nouvelles technologies pour l’énergie: un besoin intrinsèque de structuration de la matière à l’échelle nanométrique – exemple: photovoltaïque • Séparation des charges sous champ électrique à l’interface p-n • Les matériaux absorbent et conduisent les charges Création d’un exciton Absorption du photon + Transport e- Création de charges Cathode Anode Transport h+ 20nm P-type semiconductor N-type semiconductor • Durée de vie des excitons qq ns, distance de diffusion de l’ordre de 10nm • Épaisseur limitée par la longueur de diffusion des excitons • Absorption et par conséquent efficacité limitée… Aix en Provence 08 juillet 2011 6 Pourquoi les nanos (photovoltaïque)? Nouvelles technologies pour l’énergie: un besoin intrinsèque de structuration de la matière à l’échelle nanométrique – exemple: photovoltaïque organique • 2 réseaux interpénétrés qui percolent • ségrégation de phase optimale (10-20nm) cathode Heeger et al.,Science, 1992, 258, 1474. h * * + n 100nm anode e- Mise en oeuvre en solution (Polymères et oligomères) Meilleures performances (jusqu’en 2008): 5,4 % avec un mélange P3HT (type p) et PCBM (type n) O M. Reyes-Reyes et al., Appl. Phys. Lett., 2005, 87, 083506. W. Ma et al., Adv. Funct. Mater., 2005, 15, 1617. G. Li et al., Nature Mater., 2005, 4, 864. Y. Kim et al., Nature Mater., 2006, 5, 197. C6H13 * Aix en Provence S OCH3 * n 08 juillet 2011 7 Pourquoi les nanos (photovoltaïque)? Photovoltaïque hybride : polymères + nano-objets Gamme spectrale d’émission: ZnSe 380–460 nm CdSe 460–650 nm CdSe/(Zn,Cd)Te 600–1000 nm PbS 700–2000 nm Pb(Se,Te) 1200–2500 nm InP 470–850 nm InAs 800–1400 nm CdSe Structure idéale d’une cellule PV“Ideal” organique (hybride) band gaps of absorber layers multiple junction solar cells: Cathode (Al,…) 1,5 eV => max~800 nm Accepteur (PCBM, n-CdSe,…) 20 nm Donneur (P3HT, MDMO-PPV,…) Anode (ITO) E. Sargent, Nat. Photon. 2008 Aix en Provence 08 juillet 2011 8 Prise en compte de la toxicologie Problème : toxicité de Cd, Pb, Hg => recherche de composés alternatifs InP/ZnS InP Gap : 1,35 eV P. Reiss et al. CuInS2, Cu(Ga,In)Se2, … Semi-conducteur ternaire gap : 1,5 eV => max~800 nm 20 nm Aix en Provence 08 juillet 2011 9 Outils de synthèse de nanoparticules Réacteur de 2 l Mecanical stirring Installation typique de laboratoire (100 ml) > CdSe Cd precursor nanocrystals + ligand in solvent Approx. 100 mg de nanocristaux Solution to be injected 2-4 g of nanocrystaux Quelques k€ Aix en Provence 08 juillet 2011 10 Exemple de produit possible de grande diffusion Le téléphone mobile du futur ? Aix en Provence 08 juillet 2011 11 Nanos pour les technologies pour la santé Imagerie de fluorescence hors visible: plus grande transparence des tissus dans le proche infrarouge (650-900nm) Faible auto-fluorescence (du milieu biologique) Aix en Provence 08 juillet 2011 12 Nanos pour les technologies pour la santé ZnS shell InP/ZnS NCs: PL Q.Y. 10-70% InP core Images après injection intraveineuse Excitation: 640 nm CEA Grenoble (INAC (P. Reiss et al.), LETI (I. Texier et al)), INSERM Grenoble (M. De Waard et al.) Aix en Provence 08 juillet 2011 13 Nanos pour l’énergie: pile à combustible Solid polymer electrolyte 100 µm Anode Cathode 1/2 O2 + 2H + 2e → H2O + e O22 H2 O2 (air) - H+ H22O H2 → 2H + 2e + - H2O H2O e-- -- H++ H22 Electrolyte (Nafion) Excedent H2 Active layer (Pt/C) e- Gas diffusion layer (carbone) Assemblage de plaques La membrane: Cellule élementaire Haute conductivité ionique (H+) Séparateur de gaz Stable Plaque bipolaire Assemblage membrane-électrode Aix en Provence 08 juillet 2011 14 Pile à combustible à membrane : nanostructure Nafion Acide sulfonique (T< 80-100°C, limitant vs tolérance CO) Macro membrane H+ CC Micro CDG O2 H2O Ionomère (- qqs nm), Carbone (- 40 nm), Pt (- 3 nm) Aix en Provence 08 juillet 2011 15 Pile à combustible à membrane : enjeux Mieux utiliser le platine Remplacer une part du platine Aix en Provence Nano-organiser 08 juillet 2011 16 Pile à combustible à membrane : mieux répartir le platine Mieux répartir le platine Obtention de « nanotubes » de platine CEA Grenoble, INAC-LITEN Aix en Provence 08 juillet 2011 17 Batteries Electrodes : bonne insertion ionique, et conduction électronique Aix en Provence 08 juillet 2011 18 Batteries : exemple de solution basée sur des nanomatériaux (silicium) Aux dimensions réduites: Insertion / reprise du lithium plus rapide dans le matériau Surface élevée permet un flux supérieur de lithium Contrainte mécanique associée à l’insertion du lithium mieux supportée silicium CEA Grenoble Problème de contrôle de l’interface électrolyte-solide (SEI) K. Chan et al., Nature Nanotechnology 3 (2008) 31 Aix en Provence 08 juillet 2011 19 Nanomatériaux complexes : capter l’énergie Nanostructures et catalyseurs bio-inspirés Produire de l’hydrogène sans platine, sans métal noble CEA (Grenoble, Saclay) A. Le Goff et al., Science, 2009 Aix en Provence 08 juillet 2011 20 Micro-nano électronique - pourquoi l’échelle nanométrique? Nanoélectronique: une progression continue vers les échelles nanométriques… sans réelle rupture de paradigmes scientifiques (en production) 1,00 Microns 0,5 µm Technology Node 0,35 µm 0,25 µm 0,18 µm 0,2 µm 0,10 130 nm Transistor Physical Gate Length 0,13 µm 90 nm 65 nm 45 nm 70 nm 30 nm 50 nm 30 nm 20 nm 15 nm 0,01 1990 1995 2000 Aix en Provence 2005 2010 08 juillet 2011 2015 21 Nanoobjets et microélectroniques: une très large diffusion… objet nanostructuré ≠ nanoparticule (35 F) 1973 1977 1981 1987 1984 Aix en Provence 1990 1995 2000 08 juillet 2011 2005 22 Nanofabrication – approche top-down un ensemble cohérent de la microélectronique (partenariat industriel) à la recherche amont exploratoire ® MINATEC - Nanotec 300 (recherche en partenariat industriel, opération 24/24) ® MINATEC - MEMS 200 Platform (recherche en partenariat industriel) Aix en Provence 08 juillet 2011 23 Nanofabrication – approche top-down un ensemble cohérent de la microélectronique (partenariat industriel) à la recherche amont exploratoire ® MINATEC - PTA (recherche amont, plateforme ouverte aux chercheurs, doctorants…) PTA: 700 m2 ~ 15 M€ investissements (hors salle blanche) Salle blanche de production Coût : 3-4 Md$ Aix en Provence 08 juillet 2011 24 Micro-électronique une consommation énergétique en hausse rapide Consommation dans un circuit électronique CMOS (/ cm2) [accroissement fréquence, augmentation densité] Réduction de dimension conduit à des courants de fuite importants (act. oxyde de grille ~ 1.2 nm) Les mémoires rapides, volatiles, impliquent un maintien sous tension continu … Aix en Provence 08 juillet 2011 25 Economiser l’énergie: des possibilités nouvelles à l’échelle nanométrique Des solutions: MRAM, PCRAM… l’exemple des MRAM Couche libre CoFe 4 nm or IDC Al2O3 barrière barrier 1.5 nm Couche de référence 3nm CoFe Principal consortium français H Renverser une aimantation par un simple courant, c’est possible… et réaliste à l’échelle nanométrique! Aix en Provence 08 juillet 2011 26 Economiser l’énergie: des possibilités nouvelles à l’échelle nanométrique Aix en Provence 08 juillet 2011 27 Moyens de nanocaracterisation. Ex.: la PFNC (plateforme de nanocaractérisation) Seule plateforme in et off-line en Europe 100 pers., 1500m², 3M€/an investis (depuis 2005) 40 équipements lourds Caractérisation structurale, de surface, électrique Photos: CEA/DPTS Aix en Provence 08 juillet 2011 28 Des nano-objets plus complexes : nanoparticules obtenues par croissance physique, puis relachées du substrat - 1) Structuration de la résine (nanoimprint) 2) Dépôt d’une couche magnétique 3) Fonctionnalisation Forme arbitraire (définie par lithographie) Composition arbitraire (définie par dépôt) Seulement qqs mg de particules par wafer Aix en Provence 4) Lift-off en solution 08 juillet 2011 29 Des nano-objets plus complexes : nanoparticules obtenues par croissance physique, puis relachées du substrat Avant lift-off Aix en Provence 08 juillet 2011 30 Des nano-objets plus complexes : Nanostructures obtenues par croissance physique, puis relachées du substrat SiOx ou Au 10nm NiFe 60nm Particules alignées dans une solution d’acétone après application d’un champ (à champ nul) Ru 0.6nm NiFe 60nm SiOx ou Au 10nm M M B B Aix en Provence 08 juillet 2011 31 Nanostructures bio-inspirées (actine) La microfabrication permet le contrôle géométrique de la nucléation des filaments d’actine (en 2D et 3D) L’actine: protéine de 5,46nm de diamètre, présente dans toutes les cellules du corps Forme des filaments de 7 nm CEA Grenoble / IRTSV Nature Materials 9 (2010) 827 Aix en Provence 08 juillet 2011 32 Nanostructures bio-inspirées (actine) 10 µm 10 µm 10 µm Aix en Provence 08 juillet 2011 33 Nano-objets sur surfaces 1) Fe catalyst 2) De-wetting deposition by of catalyst layer Ion beam sputtering Formation of E-beam evaporation nanoparticles 3) C2H2 Gaz feed 4) Carbon nanotube growth Aix en Provence Substrate as is 1) Ferrocène+Tol uène contiuous feeding 2) Carbon nanotube growth 08 juillet 2011 34 Merci pour votre attention Aix en Provence 08 juillet 2011 35
