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 ?