NANOSCIENCES ET NANOTECHNOLOGIES

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Pascale LAUNOIS Henri Benisty Alain Berthoz Robert Corriu Claire Dupas Albert Fert Philippe Grangier Claude Henry Christian Joachim Christine Joblin Philippe Kapsa Isabelle Ledoux-Rak Jean-Yves Marzin Jean-Pierre Nozières Bernard Pannetier Alain Pérez Didier Stievenard Christophe Vieu Jacques Yvon Joseph Zyss 23 2 NANOSCIENCES ET NANOTECHNOLOGIES Les nanosciences et les nanotechnologies connaissent depuis une quinzaine d'années un formidable essor, grâce au développement de nouveaux outils d'élaboration, d'observation et d'analyse.
  • riaux magnétiques
  • circuits actuels aux limites de la miniaturisation
  • progrès récents de la compréhension des mécanismes de catalyse
  • semiconducteurs métal-oxyde
  • échelle des cristaux photoniques
  • boîte quantique
  • métaux
  • métal
  • electronique
  • electroniques
  • électronique
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  • matériaux
Publié le : mardi 27 mars 2012
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NANOSCIENCES
ET NANOTECHNOLOGIES
Pascale LAUNOIS Les nanosciences et les nanotechnologies
connaissent depuis une quinzaine d’années un
formidable essor, grâce au développement de
Henri Benisty nouveaux outils d’élaboration, d’observation
et d’analyse.Alain Berthoz
Robert Corriu Le terme « nano » est utilisé en référence à
Claire Dupas l’échelle du nanomètre, et plus largement pour
Albert Fert les dimensions nettement submicroniques. Aux
très petites échelles, de nouveaux phénomènes Philippe Grangier
apparaissent (effets de taille, effets quantiques, Claude Henry
etc.). Les nanosciences s’intéressent d’une part,
Christian Joachim
aux nouveaux phénomènes au niveau des
Christine Joblin
nano-objets, et d’autre part, aux interactions
Philippe Kapsa entre objets nanométriques. Les travaux des
Isabelle Ledoux-Rak chercheurs vont de la réalisation, de la synthèse
Jean-Yves Marzin chimique et de l’étude du nano-objet indivi-
Jean-Pierre Nozières duel, pour remonter à ses propriétés intrinsè-
ques, à la réalisation et à l’étude d’assemblées Bernard Pannetier
de nano-objets en interaction ou non suivant Alain Pérez
la densité d’intégration. Les nanotechnologies
Didier Stievenard
– formalisation des concepts et procédés des
Christophe Vieu nanosciences en vue d’applications – ont d’ores
Jacques Yvon et déjà de larges domaines d’application en
Joseph Zyss microélectronique et dans le domaine des maté-
riaux, et un ensemble de champs prospectifs
auront sans aucun doute dans les décennies à
venir des retombées sociétales et écono miques
majeures, en accroissant les possibilités dans
les domaines pré-cités, mais aussi par exemple
en biotechnologie, en photonique ou dans les
technologies de l’information.
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023-046-Chap2-T2 23 18/08/05, 16:21:30RAPPORT DE CONJONCTURE 2004
Les nanosciences et nanotechnologies 1 – SITUATION
constituent-elles un domaine nouveau ?
SCIENTIFIQUE, Alors que l’on utilise depuis des siècles
des nanomatériaux tels que les verres et TECHNOLOGIQUE ET
les céramiques, et que la chimie fait appel
QUESTIONS SUR QUELQUES à des molécules de tailles diverses, ce qui
a surtout changé c’est la possibilité de THÈMES
synthétiser de manière de mieux en mieux
contrôlée, d’observer, de manipuler et de
comprendre les nano-objets et leur assem- 1.1 NANO-OBJETS OU MOLÉCULES blage. Notre conception du rôle du nano-
UNIQUES : ÉTUDES ET MANIPULATIONobjet en a été modifiée : de composante
élémentaire du système macroscopique,
il est devenu un individu actif à part entière,
Les nano-objets sont la « pierre de base » avec une fonction spécifique. Lorsque des
des nanosciences et nanotechnologies. Nous objets ont la même taille que des molécules
en illustrons ici l’intérêt, de la manipulation chimiques ou biologiques, ou lorsque l’une
de molécules uniques, des propriétés origi-de leurs dimensions au moins devient très
nales d’agrégats d’atomes ou de « nouvelles » inférieure aux longueurs d’onde caractéris-
molécules, les nanotubes de carbone, au rôle tiques des phénomènes qui s’y produisent,
crucial des nanoparticules de la poussière la juxtaposition d’effets possibles ouvre une
interstellaire en astrophysique.multitude de champs de recherche, offrant
des fonctionnalités nouvelles, et s’enrichis-
sant de compétences complémentaires. La
dimension des objets mis en jeu est un
1.1.1 Manipulation de moléculesfacteur fondamental de la multi-disciplinarité
du domaine. La créativité est essentielle, et
L’objectif est de fabriquer et d’étudier bénéficie des apports complémentaires des
des molécules qui doivent, chacune, remplir diverses disciplines.
une fonction. Les règles de « design » dépen-
dent de la propriété à étudier, du dispositif à Le foisonnement de la recherche est tel
réaliser ou de la machine à maîtriser. Notre que ce rapport ne prétend absolument pas
imagination est ici très anthropomorphique : à l’exhaustivité. Nous présentons simple-
machine mécanique à l’échelle d’une molécule ment ici un certain nombre de sujets dans
(brouette moléculaire, moteur moléculaire, lesquels le CNRS a un rôle important à jouer.
araignée moléculaire, bras moléculaire, etc.), Dans chaque cas, des questions ouvertes ou
machine à calculer dans une molécule (architec-verrous technologiques sont identifiés, et
ture hybride, semi-classique ou quantique), l’aspect pluridisciplinaire des approches
dispositif de mesure (ampèremètre dans une – associant chimistes, physiciens, biologistes
molécule, etc.). Mais on peut aussi s’intéresser ou mathématiciens – est souligné. Après la
au transport tunnel à longue portée, au magné-discussion scientifique, nous concluons sur
tisme sur un seul atome ou à l’intérieur d’une les aspects stratégiques.
molécule, à la communication par photon
virtuel entre deux atomes ou deux molécules,
etc. Les règles de design vont donc de la
stratégie simple d’assemblage de pièces au
contrôle quantique où il n’y a plus de pièce.
Par ailleurs, un problème important qui se
pose à la chimie est de réaliser des molécules
complexes qui puissent résister aux techniques
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023-046-Chap2-T2 24 18/08/05, 16:21:372 – NANOSCIENCES ET NANOTECHNOLOGIES
d’apport au milieu support de l’expérience ou Leurs propriétés mécaniques (module d’Young
de la technologie. Ce problème se pose par bien meilleur que celui de l’acier, possibilité
exemple pour une surface solide où la subli- de grandes déformations en flexion et torsion)
mation classique détruit les molécules inté- et leur faible poids font des nanotubes une
ressantes. Pour les études sous vide, on sera composante intéressante de matériaux compo-
donc amené à utiliser/découvrir de nouvelles sites « ultra-forts » et légers. La mise en forme
techniques de dépôt ou à réaliser la synthèse des nanotubes dans des matériaux composites,
chimique sur place. N’oublions pas non plus, pour utiliser leurs propriétés mécaniques ou
dans le cas d’un support solide, la fabrication électriques, fait l’objet de nombreux travaux
des supports. On assiste actuellement à un concertés des chimistes et des physiciens. Leur
renouveau dans la maîtrise de surfaces parti- emploi en nanotribologie, comme lubrifiant,
culières, par exemple en utilisant une mono- pourrait aussi être intéressant. Enfin, le faible
couche d’isolant sur une surface métallique diamètre et le grand rapport d’aspect des nano-
pour l’électronique mono-moléculaire. tubes sont extrêmement favorables à l’émission
d’électrons. Des dispositifs d’éclairage à base Les retombées technologiques pourraient
de nanotubes sont sur le marché, et des proto-être nombreuses. Citons l’électronique molé-
types d’écrans plats à base de nanotubes ont culaire ultime, à savoir mono-moléculaire, les
déjà été réalisés.robots moléculaires de surface puis peut-être
capables d’être guidés dans un gel. Ces robots
Les propriétés de dopage, remplissage, trouveraient leurs applications en biologie
fonctionnalisation ou greffage des nanotubes (nano-médecine) ou dans le développement
apparaissent aussi très importantes. Ainsi, la durable (digesteur moléculaire). Enfin, les nano-
variation de la conductance électrique des communications n’en sont qu’à leur début.
nanotubes semi-conducteurs quand ils sont
exposés à certains gaz pourrait permettre de
réaliser de nouveaux capteurs chimiques très
1.1.2 Un nouvel objet : sensibles. Notons aussi que les nanotubes, très
le nanotube de carbone stables, peuvent être utilisés comme creusets
de réactions chimiques en milieu confiné. Par
Les nanotubes de carbone, décou- ailleurs, la connexion à la biologie se développe,
verts en 1991 sont des feuilles de graphène avec l’utilisation possible des nanotubes comme
roulées mono ou multicouches, de dimen- supports de synthèse de molécules biologiques,
sion macroscopique dans une direction et de pour leur transport, ou comme biosenseurs.
taille nanométrique dans les deux autres. Les
connaissances autour de ces objets qui inté- Malgré les avancées citées ci-dessus,
ressent de nombreux physiciens, chimistes et certains verrous importants doivent être
biologistes de tous pays évoluent très rapide- relevés, comme la synthèse dirigée de nano-
ment et des applications sont déjà identifiées. tubes tous de même structure et propriétés,
qui est encore un problème non résolu. Il Les nanotubes de carbone présentent des
nous faudra aussi maîtriser la chimie de fonc-qualités exceptionnelles pour le transport élec-
tionnalisation des nanotubes, pour les trier, les tronique. Selon leur structure (diamètre, héli-
manipuler ou pour établir des interfaces avec cité), ils sont conducteurs ou semiconducteurs.
d’autres milieux chimiques ou biologiques. Du point de vue fondamental, quantification
Enfin, la connectique entre nanotubes est un de la conductance, blocage de Coulomb et
verrou majeur à dépasser pour espérer réaliser magnéto-transport ont pu être mis en évidence.
un jour une nanoélectronique à base de nano-Par ailleurs, l’électronique à base de nanotubes
tubes. Parmi les voies prometteuses, on peut a connu des avancées fulgurantes ces quelques
dernières années, avec la réalisation de transistors, citer la croissance dirigée et l’autoassemblage
diodes ou mémoires RAM avec des nanotubes. de nanotubes fonctionnalisés.
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023-046-Chap2-T2 25 18/08/05, 16:21:38RAPPORT DE CONJONCTURE 2004
1.1.3 Agrégats des agrégats (« bottom-up ») ont progressé et
permettent de préparer tous les types d’agrégats,
même les plus réfractaires, voire des systèmes L’élaboration de nano-objets aux struc-
complexes tels que les agrégats mixtes. Le tures et propriétés originales, contrôlées, est
défi à venir va consister à utiliser ces briques un objectif important. Les agrégats d’atomes
élémentaires pour réaliser des nano-composants sont des édifices formés de quelques dizaines
(électroniques, optiques, magnétiques), des à quelques milliers d’atomes (~1 à quelques
matériaux nanostructurés (nano-métallurgie), nanomètres de diamètre), qui constituent des
des nano-catalyseurs. Pour certaines applications états intermédiaires de la matière, entre les
il faudra organiser des agrégats fonctionnalisés molécules et les solides massifs. Au plan fonda-
sur des substrats fonctionnalisés.mental, des progrès décisifs ont été accomplis
dans la compréhension de leurs propriétés spéci-
fiques. Citons par exemple les effets quantiques
de taille dans les métaux dus au confinement 1.1.4 Nano-objets en astrophysique :
des électrons dans un volume réduit, ou les poussiere interstellaire
effets de structure géométrique induisant des
arrangements atomiques différents de ceux des Les nanoparticules qui peuplent le domaine
solides. Les propriétés optiques, électro niques, dit nanométrique (de 1 à 20 nanomètres) repré-
ou magnétiques peuvent aussi revêtir des aspects sentent une composante importante de la
spectaculaires en fonction de la taille de l’objet : matière interstellaire absorbant de manière très
les plasmons de surface confèrent une couleur efficace les photons ultraviolets des étoiles pour
aux agrégats, les structures en cages (type fulle- ré-émettre cette energie dans l’infrarouge. Ces
rènes) conduisent, pour des matériaux cova- nanoparticules auraient également une contri-
lents semiconducteurs comme le silicium, à des bution majeure dans le chauffage du gaz par
propriétés électroniques inédites (large bande effet photoélectrique et dans le bilan chimique
interdite quasi directe), les moments magné- en offrant une surface importante pour la catalyse
tiques peuvent varier avec la taille et notam- de réactions comme celle fondamentale de la
ment, des matériaux non magnétiques peuvent formation de l’hydrogène H . Si la présence de 2présenter un moment magnétique lorsque la macromolécules de type hydrocarbures aroma-
taille du système décroît. À l’aide d’agrégats tiques polycyliques et de grains de silicates de
mixtes (Co-Sm, Fe-Pt), des nano structures à très taille sub-micronique semble confirmée, la nature
forte anisotropie magnétique sont obtenues, des nanoparticules est moins bien connue :
qui sont de bons candidats pour repousser la nanoparticules carbonées de type carbone
limite superparamagnétique dans la réalisation amorphe hydrogéné, nanodiamants ou agrégats
de nouveaux composants de stockage de haute d’hydrocarbures aromatiques polycyliques, nano-
2densite (≥ Tbits/inch ). Les agrégats sont aussi particules de silicium et de métaux (fer, etc.).
des systèmes modèles pour développer les
Pour l’astrophysicien/l’astrochimiste, le concepts relatifs à la fragmentation et aux tran-
problème se pose ainsi :sitions de phase à l’échelle nanoscopique par le
biais d’études sur l’évapo ration, la fission ou la
– Quel type de nanoparticules trouve-t-on ségrégation. Leurs propriétes dynamiques jusqu’à
(taille, composition, morphologie) ? l’échelle de la femtoseconde sont abordées.
– Comment se forment ces nano particules ?
De facon générale, le domaine des agré- Même si une partie peut provenir des environne-
gats est exemplaire d’approches expérimen- ments chauds et denses des enveloppes d’étoiles
tales et théoriques couplées, ces dernières évoluées, des mécanismes à basse température
bénéficiant des développements des méthodes et densité sont nécessaires.
et outils informa tiques pour modéliser des
systèmes réalistes de plus en plus gros. – Quelles sont les propriétés physiques et
Expérimentalement, les méthodes de synthèse chimiques de ces nanoparticules isolées ?
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023-046-Chap2-T2 26 18/08/05, 16:21:392 – NANOSCIENCES ET NANOTECHNOLOGIES
– Quel est l’effet sur ces nanoparticules Leurs niveaux d’énergie dans des petites structures
des conditions environnementales : irradia- sont quantifiés et l’on sait maintenant préparer
tion par rayonnement ultaviolet-X, par des des boîtes quantiques semi-conductrices, réali-
particules énergétiques, couplage avec le gaz, sations contrôlées de véritables « atomes arti-
érosion dans les chocs, coagulation ? ficiels ». D’autre part, du fait du faible nombre
d’électrons en jeu, l’écrantage est peu efficace
En laboratoire, deux approches sont utilisées : et les approximations d’électrons indépendants
la simulation expérimentale de processus ne sont plus justifiées. Que ce soit dans les
cosmiques et l’analyse des mécanismes indi- nanostructures semi-conductrices, métalliques
viduels. Ceci nécessite souvent des dispositifs ou supraconductrices, la décennie qui s’achève
expérimentaux complexes pour approcher a permis d’identifier de nombreux phénomènes
les conditions du milieu interstellaire, par
nouveaux. À côté d’effets « parasites » comme exemple utilisant la technique de piège à
la fuite tunnel d’électrons dans les circuits MOS ions refroidis. Le problème de la produc-
(Semiconducteurs Métal-Oxyde) ultimes, on a tion des nanoparticules se pose également
vu apparaître certaines fonctionnalités nouvelles ainsi que celui de l’extraction de nanopar-
comme le blocage de Coulomb – conséquence ticules de matériaux d’origine extraterrestre.
directe de la quantification de la charge –, ou Pour l’étude des constantes optiques et plus
la quantification de la conductance, les quasi-généralement des propriétés physiques et
particules à charge fractionnaire et, à un degré chimiques, il faut réussir à travailler sur des
encore futuriste, l’ingénierie d’états quantiques nanoparticules isolées. Toutes ces questions,
dans les nanosystèmes solides et les circuits pour être résolues, doivent être abordées de
électriques quantiquement cohérents. Les manière interdisciplinaire par la communauté
enjeux sont l’information et la communication des nanosciences.
mais aussi la métrologie.
Les enjeux en nanoélectronique sont
à la fois de pousser les circuits actuels aux
1.2 NANOPHYSIQUE ET limites de la miniaturisation et de préparer
les nouvelles générations. Sans être exhaustif, TECHNOLOGIES DE L’INFORMATION
on peut identifier quelques lignes de forces.
La nanoélectronique en technologie silicium
couvre entre autres les nano-MOSFETs (FET : Les technologies de l’information ont
transistor à effet de champ) et les dispositifs connu des progrès considérables et sont
logiques ou mémoires émergents (dispositifs encore appelées à se transformer dans les
mono-électron ou tunnel résonnant) à base de années/décennies à venir. Nous discutons ici
silicium. L’échelle nanométrique demande une quelques domaines exploratoires particuliè-
recherche sur de nouvelles architectures mais rement étudiés au CNRS.
aussi de nouveaux matériaux pour les isolants de
grille comme les diélectriques à forte permittivité.
Utiliser l’atome ou la molécule comme brique
1.2.1 Nanoélectronique électronique élémentaire (Voir § 1.1.1) est une
voie ultime et de récents progrès expérimen-
taux et numériques ont permis d’en montrer L’évolution vers des systèmes électroniques
de très faibles dimensions sera durable car de la faisabilité. Il manque encore une compré-
nouveaux phénomènes physiques vont pouvoir hension de base du transport électronique
être exploités. Le transport électronique aux dans une molécule organique et la maîtrise
échelles proches de l’échelle atomique est de l’interface métal-molécule. L’électronique
encore mal connu mais incroyablement riche. à base de nanotubes, édifice moléculaire
Les électrons sont des particules quantiques « idéal », a connu des avancées fulgurantes ces
dotées d’une charge électrique et d’un spin. dernières années (Voir § 1.1.2). L’étude des
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023-046-Chap2-T2 27 18/08/05, 16:21:40RAPPORT DE CONJONCTURE 2004
boîtes et fils quantiques est une thématique ques associant matériaux magnétiques et non-
très amont où l’Europe et tout particulièrement magnétiques. Le caractère « nano » des structures
la France ont une présence forte. C’est le cas est imposé par les longueurs d’échelle en jeu,
pour le transport quantique dans les métaux ce qui explique que le développement de la
et semi-conducteurs à une ou zéro dimension, spintronique a été intimement lié au progrès des
les systèmes hybrides formés de conducteurs nanotechnologies.
couplés à des supraconducteurs ou ferro-
La première manifestation d’effet de magnétiques intégrant des fonctionnalités
spintro nique a été la magnétorésistance géante supraconductrices et magnétiques. Cet effort a
ou GMR, découverte en 1988. Dans des multi-déjà mené à des avancées conceptuelles signi-
couches alternant un métal magnétique et ficatives. La prise en compte des corrélations
un métal non magnétique, un changement électroniques et de la dynamique quantique à
de résistance important est observé lorsque haute fréquence reste un enjeu important pour
les aimantations des couches magnétiques les années à venir. Un autre enjeu est la maîtrise
successives basculent d’un état antiparallèle des circuits électroniques élémentaires pour
en champ nul à un état parallèle aligné en l’information quantique. Spin et charge dans les
champ appliqué. Des structures artificielles plus boîtes quantiques, charge et flux magnétique
complexes, appelées vannes de spin et permet-dans les circuits à nanojonctions Josephson, ont
tant un effet de magnétorésistance géante dans récemment marqué des progrès très rapides
des champs très faibles (une dizaine d’Oersted), avec notamment l’observation d’oscillations
ont ensuite été développées pour réaliser de Rabi et l’intrication de 2 états qubits (« bits
des détecteurs de champ ultra-sensibles. quantiques »). L’un des enjeux majeurs dans
Aujourd’hui, la quasi-totalité de la production ce champ est l’identification et la maîtrise des
des têtes de lecture / écriture pour disques durs processus de « décohérence » et de bruit ultime,
(1 milliard de têtes par an) est constituée de ainsi que la maîtrise de la manipulation et de
têtes à GMR. Les applications comme capteurs la détection de ces états quantiques.
de champ pour l’automobile et l’aéronautique
La recherche en nanoélectronique sont également en plein essor.
fait appel à l’ensemble des sujets de nano-
fabrication, nanophysique et physique mésos- Un effet de magnétorésistance semblable
copique, nano-caractérisation et recherche de à la GMR, appelé magnétorésistance tunnel ou
matériaux nouveaux (nanotubes, diélectriques à TMR, est observé dans des jonctions tunnel
faible ou forte permittivité, etc.). La simulation/ (métal ferromagnétique/isolant/métal ferro-
modé lisation est maintenant présente à tous les magnétique). On observe aussi une variation
niveaux et est encore appelée à se développer. importante de la résistance lorsque les direc-
tions relatives des aimantations des couches
ferromagnétiques varient. La forte variation de
magnétorésistance et l’impédance élevée (de 0.1
1.2.2 Nanomagnétisme à 100 kilo-Ohm) ont conduit au développement
et électronique de spin de mémoires à accès aléatoire non volatiles
(MRAM – Magnetic Random Access Memories)
La spintronique (ou électronique de spin) pour une mise sur le marché de composants
est un sujet en plein développement à travers fonctionnels à l’horizon 2004- 2005.
le monde. La France occupe une bonne place
dans le domaine avec un important potentiel Paradoxalement, alors que des appli-
en Recherche et Développement amont. Alors cations doivent apparaître bientôt sur le
que l’électronique classique est basée sur le marché, les mécanismes physiques en jeu dans
contrôle de courants de charge, l’électronique la TMR sont encore loin d’être bien compris. Il
de spin manipule des courants de spin en apparaît maintenant que la TMR dépend non
exploitant l’influence du spin sur le transport seulement de la polarisation en spin du ferro-
électronique dans des nanostructures magnéti- magnétique mais aussi de la structure électro-
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023-046-Chap2-T2 28 18/08/05, 16:21:412 – NANOSCIENCES ET NANOTECHNOLOGIES
nique de l’isolant et surtout du caractère des ferro magnétiques dans lesquels le courant est
liaisons électroniques à l’interface métal/isolant. intrinsèquement polarisé en spin. Une autre
Il est probable que des TMR plus élevées direction de recherche intéressante est l’in-
pourront être obtenues avec d’autres isolants jection de spin dans des boîtes quantiques
que l’alumine essentiellement utilisée jusqu’à (plusieurs concepts d’ordinateur quantique
présent. Également, un autre enjeu important (Voir § 1.2.4) proposent l’intrication d’états de
est la recherche de matériaux ferromagnétiques spin dans un réseau de boîtes quantiques).
demi-métalliques (c’est-à-dire métalliques pour
L’intégration actuelle des semiconducteurs une direction de spin et isolants pour l’autre)
en spintronique implique nécessairement une pour lesquels on peut attendre une pola risation
collaboration accrue entre communautés du de l’effet tunnel proche de 100 %. Diverses
magnétisme et des semiconducteurs. De façon pistes sont suivies pour obtenir des matériaux
plus générale, la spintronique a aussi besoin demi-metalliques de température de Curie suffi-
d’une pluridisciplinarité chimie/physique pour samment élevée au regard des applications.
le développement de procédés de fabrication. Finalement, on peut également mentionner que
Dans le champ applicatif, des connexions avec l’injection de spins par effet tunnel conditionne
les domaines de la biologie et de la médecine d’autres développements de l’électronique de
ont également été ébauchées.spin comme par exemple l’injection de spins
dans une nanoparticule ou une boîte quantique Les verrous pour les années à venir se
(dispositifs combinant blocage de Coulomb et situent dans plusieurs domaines :
de spin, bits quantiques).
– matériaux : recherche de matériaux
La commutation d’une cellule de mémoire demi-métalliques pour obtenir des pola-
magnétique (MRAM) s’effectue aujourd’hui dans risations de spin proches de 100 % à tempéra-
un temps de quelques nano-secondes. Réduire ce ture ambiante, recherche de semiconducteurs
temps de commutation est un enjeu important et ferromagnétiques à température ambiante,
les recherches sur la dynamique du renver sement intégration de métaux ferromagnétiques et de
de l’aimantation de petits éléments magnétiques semiconducteurs dans une même structure,
sont en plein développement. Ainsi des commu- intégration possible de nanotubes de carbone
tations par précession cohérente dans des impul- (Voir § 1.1.2) en spintronique ;
sions de champ magnétique de seulement une
– nanotechnologies : développement centaine de pico-secondes ont été obtenues.
de méthodes de fabrication utilisant la litho-Une autre possibilité intéressante est le renver-
graphie électronique ou des microscopies sement d’aimantation sans application de champ
de proximité (nanoindentation, etc.) pour magnétique mais seulement par transfert de spins
la réalisation de transistor spintronique, de à partir d’un courant polarisé en spin. Le dépla-
nanocontact pour magnéto-résistance balis-cement de parois de domaines par un courant,
tique ou pour injection de spin dans une autre effet de transfert de spin, pourrait également
nanoparticule ou une boîte quantique ;avoir des applications intéressantes.
– concepts : développements de concepts
Un gros effort de recherche en électronique pertinents de transistor à spin, de dispositifs
de spin est fait actuellement pour intégrer maté- d’opto-spintronique et de dispositifs associant
riaux magnétiques et semi-conducteurs dans une blocage de Coulomb et de spin, de qubits à
même hétérostructure, dite « hybride ». L’objectif spin, étude de solutions pour l’enregistrement
technologique est d’obtenir des composants de très haute densité ;
d’électronique de spin ou d’opto-spintronique
combinant des fonctions de stockage perma- – applications : un problème général est
nent d’information, de traitement logique et de l’intégration de dispositifs de spintronique dans
communication sur une même puce (micro- les filières de microélectronique ; également
processeur reprogrammable par exemple). Une les dimensions sub-100 nanomètres, accessibles
autre voie est l’élaboration de semi-conducteurs en laboratoire (objet unique) posent d’autres
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023-046-Chap2-T2 29 18/08/05, 16:21:42RAPPORT DE CONJONCTURE 2005
problèmes à l’échelle du démonstrateur (objets de la nanophotonique pour la nanofabrica-
multiples, par exemple mémoire magnétique tion (Voir § 1.5) : lithographies ultimes, par
1 Mbit) où l’on doit contrôler les dispersions projection ou par sondes locales, lithographie
en taille et ordonnancement d’un grand en volume à deux photons, etc.
nombre d’objets.
Les verrous pour les années à venir sont :
– le contrôle de l’émission spontanée
(rythme, statistique, directionnalité), dans le
1.2.3 Nanophotonique prolongement des études faites en physique
atomique, qu’on peut appliquer à des boîtes
Diverses sortes de matériaux nano- quantiques de semiconducteurs, jusqu’aux fluo-
structurés présentent des réponses optiques rophores de la biophotonique, en lien avec la
très singulières, qui dépendent toutefois drasti- cryptographie quantique ;
quement (au-delà d’une simple loi d’échelle) de
– les matériaux : changements de dimensions nanométriques : les
sphères métalliques, les opales, les microcavités, (i) structures hybrides métal-diélectrique :
par exemple. La microscopie en champ proche potentiel et limites (pertes) des plasmons dans
trouve ici sa place, offrant une connaissance l’interaction matière-lumière, connaissance et
locale des propriétés optiques. Les techniques contrôle déterministe des effets de « points
de photomanipulation d’objets micro- et nano- chauds » dans les assemblées d’îlots d’argent
métriques, comme les « pinces optiques », très en ou d’or, liés au SERS (effet Raman renforcé).
vogue en biologie, ou l’orientation tout optique
(ii) connaissance des effets de structu-mettant en jeu des interactions non linéaires,
ration nanométrique sur l’interaction onde-relèvent dans une large mesure du domaine de
matière dans les matériaux non-linéaires, la biophotonique.
électro-optiques, etc.
L’échelle des cristaux photoniques ou des
(iii) Matériaux hybrides à base d’organiques, manipulation de plasmons sur or ou argent
de sol-gel : potentiel applicatif ? (optique inté-convient aux méthodes de fabrication parallèles
grée ? sources ? etc.) de la microélectronique, ce qui apporte un
grand potentiel d’application, dont l’exploitation Une dernière série de questions, appli-
débute à peine, en commençant naturellement quées, tient à la recherche de meilleur
par l’optoélectronique sur semi-conducteur. couplage onde-matière ou onde-onde à l’aide
À l’image des objets industriels de l’optique de nanostructurations.
intégrée (visant au traitement de signaux pour
(i) Pour les sources : quelle augmentation les télécommunications surtout), le physicien
de rendement peut en résulter ?peut aujourd’hui concevoir et réaliser des bancs
optiques complexes sur puce, exploitant les (ii) Pour l’optique intégrée et les fibres
nanostructures photoniques et éventuellement optiques microstructurées : il s’agit de faire suivre
électroniques. L’ordinateur quantique (Voir à la lumière guidée des virages, des changements
§ 1.2.4) pourrait se baser sur cette approche. de taille transverse sur mesure, à l’aide de nano-
À plus court terme, une voie applicative d’intérêt structuration ou de cristaux photoniques.
concerne les matériaux hybrides multifonction-
nels. L’insertion de nanoparticules inorganiques
à propriétés laser dans une matrice polymère
1.2.4 Ordinateur quantiqueorganique à propriétés non linéaires permettrait
et information quantiquepar exemple d’associer dans un même matériau
des fonctionnalités de type modulation électro-
L’information quantique est basée sur optique et de type amplification laser.
un concept apparu au cours des 20 dernières
On peut aussi mentionner divers apports années, qui a en un certain sens un caractère
30
023-046-Chap2-T2 30 18/08/05, 16:21:442 – NANOSCIENCES ET NANOTECHNOLOGIES
assez révolutionnaire : on peut en utilisant la ou « qubits ». Les idées les plus prometteuses
physique quantique concevoir de nouvelles pour réaliser une telle « ingénierie quantique »
façons de calculer et de communiquer, dont sont activement explorées expérimentalement,
les « règles du jeu » ne sont plus celles que et sont basées sur la manipulation d’objets
l’on connaît classiquement. Il en résulte par quantiques individuels (photons, atomes, ions,
exemple de nouvelles méthodes de crypto- spins, boîtes quantiques, etc.), ou de nano-
graphie dont la sécurité s’appuie sur les circuits quantiques (jonctions Josephson).
bases même de la physique, et de nouvelles À terme il devrait devenir possible d’assembler
méthodes de calculs qui peuvent être exponen- des tels objets à grande échelle, et plusieurs
tiellement plus efficaces. Ces nouvelles idées approches ont été proposées. On peut ainsi
conduisent à de nouveaux algorithmes, et aussi remarquer qu’un effort très important de
à de nouvelles architectures de calcul, qui sont nano-fabrication a été lancé par des équipes
basées sur des « portes logiques quantiques » australiennes et américaines, avec l’objectif
sans équivalents classiques. Un but central des – extrêmement audacieux – d’implanter, de
recherches en cours est de découvrir les lois détecter et de contrôler l’état quantique d’ions
et les techniques qui permettent de manipuler individuels dans une matrice de silicium.
ces objets, sans perdre leur « cohérence quan-
tique », qui est à l’origine de leurs capacités
accrues de traitement de l’information.
1.3 NANOMATÉRIAUX Une des raisons du dynamisme actuel de
l’information quantique est son caractère très
interdisciplinaire. En effet, la rencontre entre
la théorie de l’information et la mécanique Si nanosciences et nanotechnologies
quantique – qui constitue le cœur de « l’infor- évoquent à priori la « high-tech », elles couvrent
mation quantique » – conduit à l’apparition d’un de fait un champ beaucoup plus large avec les
langage nouveau, commun aux algo rithmiciens, nanomatériaux qui jouent un rôle clé dans de
aux informaticiens, et aux physiciens de nombreux domaines, comme l’automobile, l’aé-
nombreuses disciplines (physique du solide, ronautique, le bâtiment, le conditionnement, la
physique atomique et moléculaire, optique tribologie, la catalyse, l’environ nement, etc.
quantique, etc.). De plus, les lois quantiques D’importantes mutations sont en cours, qui
régissant le comportement des nanoobjets, les pourraient renouveler complètement le domaine.
nanosciences se trouvent être le domaine privi- Nous l’illustrons avec les progrès récents de la
légié d’application de ces concepts. compréhension des mécanismes de catalyse ou
la synthèse des matériaux adaptatifs, qui sera un
Il existe actuellement deux domaines enjeu majeur pour les chimistes.
principaux d’application de ces concepts quan-
tiques, dont les problématiques et les stades
d’avancement sont différents :
1.3.1 Nanocatalyse
(i) la cryptographie quantique, dont le
principe est de transmettre une « clé secrète »
La catalyse a été très longtemps un indéchiffrable en utilisant les propriétés quan-
domaine où l’empirisme était roi. En effet, tiques de la lumière. Ce domaine a progressé
de par leur très grande complexité, les méca-rapidement au cours des dix dernières années,
nismes des réactions catalytiques hétérogènes et la question actuelle est celle de l’intégration
ne pouvaient être approchés que très quali-de protocoles quantiques dans une infra structure
tativement. Les modèles réactionnels tirés globale de gestion de la confidentialité.
des études sur monocristaux ne peuvent pas
(ii) le calcul quantique, basé sur des toujours s’appliquer à la catalyse réelle. Les
opérations logiques effectuées sur des systèmes catalyseurs réels sont constitués de particules
quantiques à deux états, les « bits quantiques » métalliques de un à quelques nanomètres
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023-046-Chap2-T2 31 18/08/05, 16:21:45RAPPORT DE CONJONCTURE 2004
supportées (le plus souvent) sur des oxydes : il assemblage de colloïdes métalliques. Les
faut alors tenir compte de l’hétérogénéité intrin- ligands peuvent être éliminés par un plasma
sèque des catalyseurs réels. C’est ce que l’on réactif très doux sans détruire l’arrangement
appelle : « material gap ». D’autre part les réac- des agrégats. Ces deux dernières méthodes,
tions catalytiques réelles ont lieu à la pression relativement peu onéreuses, pourraient être
atmosphérique (voire plus) alors que les études transférées vers l’industrie pour des cata lyseurs
de surfaces se passent sous ultravide, c’est ce spécifiques par exemple ultra-sélectifs (en
que l’on nomme : « pressure gap ». Les recherches particulier énantio-sélectifs), pour les capteurs
actuelles visent à combler ces deux fossés. de gaz ou les piles à combustible. Enfin, au
lieu d’utiliser une assemblée d’agrégats, on
Le « material gap » : les catalyseurs modèles peut aussi penser utiliser un agrégat unique et
supportés. tester sa réactivité. On n’est pas encore arrivé
à ce stade mais des études se développent L’hétérogénéité des catalyseurs réels pro vient
intensément sur ce sujet en utilisant les sondes de la taille nanométrique des particules métal-
champ proche.liques, de leur morphologie et de la présence
du support. Des résultats importants ont été Le développement fulgurant des moyens
obtenus récemment sur les effets de morpho- de calculs ouvre maintenant la porte à la simu-
logie et de support, en utilisant des catalyseurs lation de réactions chimiques sur une surface ou
modèles préparés par croissance d’agrégats sur un agrégat libre mais aussi sur un agrégat
métalliques sur des monocristaux d’oxyde. En supporté. La dynamique moléculaire permet de
fait ce que l’on appelle communément effets simuler actuellement les agrégats supportés de
de taille en catalyse revêt en réalité plusieurs quelques nanomètres. Par des calculs ab initio
aspects intriqués. Quand la taille diminue, il est maintenant possible de déterminer les
la réactivité change par l’augmen tation de la barrières énergétiques correspondant aux étapes
proportion de sites d’arêtes qui chimisorbent élémentaires d’une réaction catalytique. Il est
plus fortement les molécules. La morphologie donc devenu possible de prévoir les propriétés
et donc la proportion des différentes facettes, catalytiques d’un métal ou d’un alliage en fonc-
ayant des réactivités différentes, peut changer tion de sa structure et de sa composition ce qui
avec la taille. Un troisième effet qui dépend ouvre la porte à une approche rationnelle de la
de la taille est la capture des molécules physi- conception d’un catalyseur.
sorbées sur le support. Pour étudier finement
les effets de taille il faudrait idéalement avoir Le « pressure gap » : les études in situ
une taille unique. Pour des agrégats intéres- sous pression
sants pour la catalyse (au moins 50 atomes)
une nouvelle voie s’ouvre par la croissance Le « gap » de pression est en train d’être
sur une surface nanostructurée, les agrégats comblé rapidement. En effet, il est maintenant
nucléant suivant un réseau régulier ce qui rend possible d’étudier des surfaces par STM (micros-
les conditions de croissance identiques pour copie à effet tunnel) et AFM (microscopie à
chaque agrégat d’où il résulte une distribution force atomique) sous pression allant de l’ultra
de taille extrêmement étroite. Une autre voie vide à la pression atmosphérique. Il devient alors
pour fabriquer un réseau d’agrégats est de possible de suivre l’évolution de la morphologie
créer artificiellement un réseau de défauts sur des particules de catalyseur lors d’une réaction
la surface sur laquelle on dépose des agrégats chimique. Les molécules adsorbées peuvent être
préparés en jet. Une troisième voie est de fabri- détectées par des méthodes optiques permettant
quer directement un réseau de particules en de travailler de l’ultravide jusqu’à la pression
poussant à leur limite les techniques de nano- atmosphérique. C’est le cas de la spectroscopie
lithographie : nanolithographie électronique, infrarouge avec modulation de polarisation et
nano-impression ou encore nanolithographie surtout la génération de somme de fréquence. Il
colloïdale. Une variante de la lithographie est maintenant possible de suivre l’évolution de
colloïdale est d’utiliser directement l’auto- la structure interne d’un agrégat au cours d’une
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