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La prochaine révolution industrielle ?Les nanotechnologies :

sources d’innovation pour les entreprises

Pascal ROYER

Laboratoire de Nanotechnologie et d’Instrumentation Optique (LNIO)

Université de technologie de Troyes UTT / ICD / CNRS / CEA

Pascal.royer@utt.fr

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INTRODUCTION

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10 mn

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5mn40

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10-9 mètre

c'est à dire un milliardième de mètre

ou un millionième de millimètre

(Dans une feuille de papier d'épaisseur 0,1 mm, on pourrait empiler 500 000 atomes)

C'est le domaine de l'infiniment

petit, D'un point de vue technologique,

c'est le domaine de la miniaturisation ultime

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Un nanomètre, c’est environ :

• 500 000 fois plus fin que l'épaisseur du trait d’un stylo à bille ;

• 30 000 fois plus fin que l’épaisseur d’un cheveu ;

• 100 fois plus petit que la molécule d’ADN ;

• 4 atomes de silicium mis l'un à côté de l'autre.

Même différence de taille entre un atome et uneballe de tennis qu’entre une balle de tennis et la terre

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inalement, un des points fondamentaux de la maîtrise de la nanotechnologie est donc la création d'une machine de taille moléculaire, capable de se dupliquer elle-même….

ais aussi de fabriquer d'autres structures

Cette machine est appelée "un assembleur"

L ’échelle du nanomonde à partir du monde du vivantet des produits fabriqués par l ’homme

Comment fabriquer des nanocomposants ?

On assemble la matière atome par atome

On part d ’un matériau qu ’on découpe, puis qu ’on sculpte,...

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Aujourd ’hui, on fabrique des micro-processeurs de 1 cm2 de surface et contenant 50 millions de transistors (inventé en 1948 par lab. Bell - Nobel en 1956) : la surface moyenne d ’un transistor est actuellement de 1 μm2 et la finesse des

motifs réalisés par photolithographie atteint 50 nm.

L ’histoire récente de la microélectronique nousamène au seuil des nanosciences

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La loi de Moore :tous les 18 mois, le nombredes transistors sur la surfacedes puces électroniquesdouble et la taille de leur grille

diminue par un facteur 1,3

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1 cm (le 1ier en 14/12/47)

20 nm / en 2005 / INFINEON

1 μm / années 2000

En 60 ans, diminution de lataille d’un facteur 100 000

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Le coût de fabrication des transistors sur une puce a baissé de façonspectaculaire : en 1973, le prix d’un million de transistors intégréséquivalait à celui d’une maison, en 2005, il était celui d ’un post-it.

Evolution du coût de fabrication d ’unmillion de transistors en 30 ans

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Les nanotechnologies :

- Définition

- Historique

- Objectif ultime

- L’état des recherches aujourd’hui

- Les techniques de fabrication

- Exemples d’applications

- Ethique - Toxicité des nanomatériaux

- Quelques éléments de marché

- Nanotechnologies et PME

- Les outils à la disposition des PME innovantes

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"Science ayant pour objetde concevoir, fabriquer et

utiliser des structuresd'une dimension allant del'échelle atomique jusqu'à

environ 100 nm"

Deux définitions possibles

ensemble des théories, des techniques et des

mécanismes qui visent à manipuler ou à fabriquer

des objets de taille comparable à celle des

composants élémentaires de la matière :

Les atomes et les molécules

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Prix Nobel américain de physique en 1965, fut le premier à énoncer l'idée

de cette nouvelle technologie en 1959 à

l'institut de technologie de Californie

"pourquoi ne pourrions nous pas

écrire les 24 volumes de l'encyclopédie britannica sur la tête

d'une épingle" "There is plenty of room at the

bottom"

Composant constituéd’un milliard denanoperforations

le père desnanotechnologies

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Chronologie / quelques dates clefs- 1948 :Invention du transistor (Nobel en 59 : Bardeen, Brattain,

Shockley)- 1959 :Invention du circuit intégré (Kilby / Texas Instrument,

Nobel en 2000 ) Discours de Feynman sur la nanotechnologie !!

(Nobel de physique en 1965)

-1985 : Les nanotubes de carbone (R. Smalley : prix Nobel de Chimie)

- 1986 : Microscope à effet tunnel STM (Binnig et Rohrer : prixNobel de physique)

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inalement, un des points fondamentaux de la maîtrise de la nanotechnologie est donc la création d'une machine de taille moléculaire, capable de se dupliquer elle-même….

ais aussi de fabriquer d'autres structures

Cette machine est appelée "un assembleur"

L'objectif de la nanotechnologie est

d'arriver à manipuler, contrôler précisément et individuellement les

atomes (ingénierie ou nanotechnologie

moléculaire)

(faire du diamant à partir d'un morceau de charbon)

création de nouvelles molécules par la maîtrise du réarrangement atomique

construction de nouveaux matériaux avec de nouvelles propriétés, sans impuretés, donc plus

résistants avec moins d'atomes, donc plus légers et moins volumineux

Richard Smalley, inventeur des fullerènes,

prix Nobel de chimie en 96 prédit la naissance de cette technique entre

2010 et 2040

construction de nano-robots dotés de bras mécaniques

nanoscopiques (assembleurs) construisant à leur tour d'autres robots (auto-reproduction, donc faible coût) ou des ensembles de

plus grande taille grâce à un programme de construction.

OBJECTIF ULTIME DE LA NANOTECHOLOGIE

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inalement, un des points fondamentaux de la maîtrise de la nanotechnologie est donc la création d'une machine de taille moléculaire, capable de se dupliquer elle-même….

ais aussi de fabriquer d'autres structures

Cette machine est appelée "un assembleur"

Modélisation d’une nanomachine moléculaire(Institut forsight / USA)

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inalement, un des points fondamentaux de la maîtrise de la nanotechnologie est donc la création d'une machine de taille moléculaire, capable de se dupliquer elle-même….

ais aussi de fabriquer d'autres structures

Cette machine est appelée "un assembleur"

Si certains scientifiques considèrentqu'il n'y a pas d'impossiblité de

principe, il existe toutefois certainsproblèmes :

Etc…

L'agitation continuelle des atomesà la température ambiante,

La taille elle même des atomes : letemps que prendrait la fabrication

d'un objet à notre échelle

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Quel temps faudrait-il

pour fabriquer une feuille de

papier format A4 en

considérant que vous pouvez

assembler

1 million d'atomes / seconde

EXERCICE

A raison de 1 million d'atomes/s, c'est à dire pour 2 empilements/s, j'aurai besoin de 0,5 milliard de milliards de secondes ou encore de 25 milliards d'années pour

fabriquer cette feuille

Empilement vertical de 500 000 atomes dans l'épaisseur de la feuille (0,1 mm)

Pour couvrir la surface de la feuille (21 x 30 cm2), il faut juxtaposer 1018 = 1 milliard

de milliards d'empilements verticaux d'atomes

1018 = un trillion

2020

Exemple : Prenons un diamant d’un carat : il contient dix milliards de trillion (1018) d’atomes Un robot capable de manipuler 10 millions d’atomes / s mettrait 32 millions d’années ! pour le fabriquer

Toutefois si le robot peut s’auto dupliquer (molécule parmolécule) en 15 mn et que chaque nouveau robot reproduisele processus, au bout de 14 h, nous aurons alors 1 millionde milliards de robots !,

ensemble ils construiront alors le diamant endix secondes !

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De plus, nous, humains, sommes la preuve

que la nanotechnologie existe puisque nous sommes constitués de véritables machines moléculaires (ADN, ARN, ribosomes = mini-usines chargées de synthétiser toutes les protéines, etc.), qui

fonctionnent à l'échelle atomique, et agencent de façon extrêmement précise les atomes et les molécules dont nous sommes constitués…..

La nanotechnologie est bien en marche

Auto-réplicationà l’image desorganismes

vivants

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CE TYPE DE MICROSCOPIE A SONDE LOCALE

EST A L ’ORIGINE DES NANOTECHNOLOGIES

(d’un point de vue de l’imagerie et de la

manipulation à l’échelle atomique)

Aujourd ’hui, quel est l ’état des recherches ?

Début des années 80, premier système permettantl ’observation et la manipulation d'atomes à l'échelleindividuelle : invention du STM (Scanning tunnelingMicroscope ou Microscope à effet tunnel)(Binnig et Rohrer - Nobel 86 - IBM Zurich)

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Les nouvelles microscopies àl’origine des nanotechnologies

STM, AFM, SNOM,….STM : Scanning Tunneling Microscope / Microscope à effet tunnel électroniqueAFM : Atomic Force Microscope / Microscope à forces atomiquesSNOM : Scanning Near Field Optical Microscope / Microscope à balayageen champ proche optique

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Possibilité d’imager des surfacesà l’échelle atomique :

Principe du microscope à effet tunnel électronique : STM

Atomes de silicium

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Arrangement d’atomes de fer sur substrat de cuivre

Manipulation d’atomes par STM

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Microscopie à forces atomiques

Images : - de sondes AFM (à gauche) - d’hélice d’ADN - bits d’un DVD

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Topographie

Différents types de sondes pour microscopie à forcesatomiques et pour microscopie optique à sonde locale

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Microscope optique en champ proche appliqué à lananospectroscopie Raman

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Les techniques de fabricationde nanoobjets / nanostructures

Technologie « top down » = descendanteTechnologie « bottom up » = ascendante

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Les techniques « top-down (descendante) » de lithographie optique, électronique, de gravure, de faisceau d’ions focalisé permettent de fabriquer des structures de quelques dizaines de nm de taille à partir d’un matériau massif de dimension micro/macro

Comment fabriquer des nano-objets?