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Modélisation théorique et simulation numérique des nano ... - CEA

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Des briques pour le <strong>nano</strong>mondeLes briques élémentaires<strong>des</strong> matériaux du futurUne approche développée pour fabriquer <strong>des</strong> <strong>nano</strong>composants consiste à assemblerla matière atome par atome ou molécule par molécule pour construire <strong>des</strong> <strong>nano</strong>-obj<strong>et</strong>squi seront ensuite intégrés dans <strong>des</strong> systèmes plus complexes. Parmi ces briquesélémentaires, les <strong>nano</strong>tubes de carbone sont dotés d’une structure <strong>et</strong> de propriétésexceptionnelles qui en font<strong>des</strong> <strong>nano</strong>-obj<strong>et</strong>s de choixpour de multiplesapplications. Les<strong>nano</strong>cristaux semiconducteursfluorescents,dont l’avantage résidedans la possibilité de fairevarier les longueurs d’onded’émission avec la taille<strong>des</strong> particules, devraientavoir de larges applicationsen biologie ou en optoélectronique.Les <strong>nano</strong>filssuscitent, quant à eux,un grand intérêt tant àcause de leurs propriétésphysiques originalesque de leurs applicationspotentielles en opto<strong>et</strong>microélectronique.Nanotubes de carbone déposés sur un substrat de silicium.Les <strong>nano</strong>tubes de carbone,stars de la rechercheLa découverte inattendue de <strong>nano</strong>-obj<strong>et</strong>s tels que les molécules de fullerène en 1985<strong>et</strong> les <strong>nano</strong>tubes de carbone en 1991 a eu un impact très important dans la communautéscientifique <strong>et</strong> dans la prise de conscience de l’énorme potentiel industriel <strong>des</strong><strong>nano</strong>technologies. Structures à la fois robustes, légères <strong>et</strong> souples, les <strong>nano</strong>tubes decarbone possèdent <strong>des</strong> propriétés mécaniques <strong>et</strong> électriques remarquables qui offrentde nombreuses potentialités d’applications <strong>et</strong> laissent envisager une industrialisationdans un avenir proche. Ils constituent un champ de recherches très actif.Artechnique/<strong>CEA</strong>Jusqu’en 1985,les seules formes cristallines connuesde carbone pur étaient le graphite <strong>et</strong> le diamant.Après c<strong>et</strong>te date, c<strong>et</strong>te situation a été profondémentmodifiée avec la découverte par Harold W. Kroto(Université du Sussex, Grande-Br<strong>et</strong>agne), RichardE. Smalley <strong>et</strong> Robert F. Curl Jr. (Université de Rice,États-Unis) d’une nouvelle forme d’organisation ducarbone,la molécule C 60 ,constituée de soixante atomesde carbone répartis sur les somm<strong>et</strong>s d’un polyèdre régulierà fac<strong>et</strong>tes hexagonales <strong>et</strong> pentagonales.Ils ont obtenule prix Nobel de chimie en 1996 pour ces travaux.C<strong>et</strong>te molécule fut nommée buckminsterfullerene en50CLEFS <strong>CEA</strong> - N° 52 - ÉTÉ 2005


honneur au dôme géodésique réalisé par l’architecteBuckminster Fuller pour l’exposition universelle deMontréal en 1967. Cependant, ce n’est qu’en 1991 queSumio Iijima (NEC, Tsukuba, Japon), en observant aumicroscope électronique un sous-produit de synthèsede C 60 , découvrit les <strong>nano</strong>tubes de carbone. Il décrivitpour la première fois les <strong>nano</strong>tubes comme étant <strong>des</strong>obj<strong>et</strong>s de forme tubulaire <strong>et</strong> creuse de dimension <strong>nano</strong>métriqueen diamètre <strong>et</strong> de longueur micrométrique.Les <strong>nano</strong>tubes peuvent être fabriqués par évaporationde carbone, du graphite le plus souvent, avec un arcélectrique ou au moyen d’un laser dans une atmosphèred’hélium ou d’argon. Cependant, dans les premierstemps, la température élevée nécessaire au procédélimitait l’obtention d’une grande quantité de matériau.Différentesmétho<strong>des</strong> de synthèse spécifiques ontalors été mises au point <strong>et</strong> ont permis l’étude enlaboratoire de la structure <strong>et</strong> <strong>des</strong> propriétés physiques<strong>et</strong> chimiques de ces obj<strong>et</strong>s. Ces recherches ont pris unessor extraordinaire tant sont spectaculaires à la foisla structure <strong>des</strong> <strong>nano</strong>tubes <strong>et</strong> leurs propriétés dansdifférents domaines allant de la mécanique à la <strong>nano</strong>chimie,en passant par la <strong>nano</strong>électronique.Dans c<strong>et</strong> article seront rappelées les caractéristiquesfondamentales de ces <strong>nano</strong>-obj<strong>et</strong>s en présentant leurdiversité structurale <strong>et</strong> l’origine de leurs propriétésélectroniques exceptionnelles. Puis quelques illustrationsde leurs potentialités en <strong>nano</strong>électroniqueseront données.Artechnique/<strong>CEA</strong>O(0,0)na 1a 2Réacteur Centura,installé au <strong>CEA</strong>/Grenoble,dédié à la croissance àgrande échelle de<strong>nano</strong>tubes de carbonepar le procédé CVD(Chemical VaporDeposition, dépôtchimiqueen phase vapeur).θzigzagC(6,4)L’importance de leur géométrieLes <strong>nano</strong>tubes de carbone sont constitués de feuill<strong>et</strong>sde graphite enroulés sur eux-mêmes de façon à former<strong>des</strong> cylindres, <strong>et</strong> fermés aux deux extrémités pardeux demi-fullerènes. En fonction du nombre decouches successives,il faut distinguer deux catégories:les systèmes dits monoparois (SWNT, single-walled<strong>nano</strong>tube), qui ne comportent qu’un feuill<strong>et</strong> <strong>et</strong> pourraientconstituer les briques élémentaires d’une <strong>nano</strong>électroniquefondée sur les <strong>nano</strong>tubes, <strong>et</strong> les <strong>nano</strong>tubesmultiparois (MWNT,multi-walled <strong>nano</strong>tube),qui sont<strong>des</strong> systèmes plus complexes capables de contenir plusieursdizaines de feuill<strong>et</strong>s concentriques.Ces <strong>nano</strong>tubesont <strong>des</strong> diamètres de 2 à 30 nm pour une longueur susceptibled’atteindre plusieurs micromètres.La géométrie <strong>des</strong> <strong>nano</strong>tubes est fondamentale, carelle détermine la plupart de leurs propriétés physiques.Pour mieux appréhender l’origine de c<strong>et</strong>t<strong>et</strong>opologie particulière, considérons une feuille de graphite(figure 1). Étant donné deux points équivalentsO <strong>et</strong> C du réseau hexagonal, découpons la bandedéfinie par les droites passant par ces deux points<strong>et</strong> perpendiculaires à OC. En faisant coïncider, parenroulement bord à bord de c<strong>et</strong>te bande, les pointsO <strong>et</strong> C, un <strong>nano</strong>tube est obtenu. Caractérisé par lescoordonnées (n,m) du point C dans la base (a 1 ,a 2 )du réseau hexagonal, ce <strong>nano</strong>tube aura pour axe levecteur n orthogonal à OC. n <strong>et</strong> m,appelés les indiceschiraux du <strong>nano</strong>tube, définissent son hélicité. Lesscientifiques préfèrent parfois donner les valeurs dudiamètre d <strong>et</strong> de l’angle chiral θ, qui sont reliés àn <strong>et</strong> m. Les SWNTs sont classés en trois famillessuivant leurs propriétés de symétrie : <strong>nano</strong>tubes“zigzag”pour m =0,“armchair”pour n = m,<strong>et</strong> enfin“chiraux” dans les autres cas.feuill<strong>et</strong> de graphiteDes propriétés mécaniquesexceptionnellesPour les SWNTs, le matériau obtenu présente <strong>des</strong>propriétés mécaniques très intéressantes. Il est environ100 fois plus résistant, 6 à 7 fois plus rigide <strong>et</strong>6 fois plus léger que l’acier. Imaginons un cylindredont le diamètre extérieur est de 10 cm <strong>et</strong> la paroid’épaisseur 4 cm, reliant deux murs distants de 2 m. Sice cylindre était aussi rigide qu’un <strong>nano</strong>tube 10 millionsde fois plus p<strong>et</strong>it, alors, sous un poids de 1000 tonnes,il ne fléchirait en son centre que de 1 cm! Les <strong>nano</strong>tubesde carbone sont également très résistants à larupture car, pliés avec un angle de 70°, ils ne rompentpas <strong>et</strong>, en plus, reprennent leur forme initiale, étantdonné leurs propriétés élastiques exceptionnelles.Des propriétés électroniquesremarquables<strong>nano</strong>tube chiral (6,4)Les propriétés électriques dépendent étroitement dela géométrie du <strong>nano</strong>tube, définie par les indiceschiraux n <strong>et</strong> m. Selon l’arrangement <strong>des</strong> atomes lelong de la circonférence, il est possible d’obtenir unarmchairFigure 1.Construction géométrique d’un<strong>nano</strong>tube de carbone à partirdu plan d’un monofeuill<strong>et</strong> degraphite (graphène) : exempledu <strong>nano</strong>tube (6,4). Les indiceschiraux (6,4) sont lescoordonnées du vecteur OCdans la base (a 1 ,a 2 ) du réseaudu graphène. Aprèsenroulement bord à bordde la bande de graphèneperpendiculaire à OC <strong>et</strong> delargeur OC, un <strong>nano</strong>tube chiral(6,4) est obtenu (en bas). Sontaussi représentées lesdirections du vecteur OC pourles tubes “zigzag”<strong>et</strong> “armchair”, qui sont nonchiraux.CLEFS <strong>CEA</strong> - N° 52 - ÉTÉ 2005 51


Des briques pour le <strong>nano</strong>mondeObservations aumicroscope électroniqueà balayage de <strong>nano</strong>tubesde carbone sur unsupport de silicium,dont la croissancea été réalisée dansle réacteur Centura(x 100 000 à gauche <strong>et</strong>150 000 à droite).300 nm200 nm<strong>CEA</strong>Figure 2.En a, image enmicroscopie à eff<strong>et</strong>tunnel d’une jonctionintramoléculaire entreun <strong>nano</strong>tube métallique(22,-5) <strong>et</strong> un <strong>nano</strong>tubesemi-conducteur (21,2).La flèche repère lajonction entre les deux<strong>nano</strong>tubes, mal résolue àl’échelle atomique. Desréseaux hexagonauxnoirs ont été superposésà l’image, de manière àdéterminer les hélicités.En b, mesures <strong>des</strong>pectroscopie tunnellocale donnant la densitéd’états électronique surles tronçons métallique(courbe du bas) <strong>et</strong> semiconducteur(courbe duhaut) (d’après T. ODOM,J. HUANG <strong>et</strong> C. LIEBER,“STM studies of singlewalledcarbon<strong>nano</strong>tubes”, J. Phys. :Condens. Matter,14, R145-R167, 2002).a(22,-5)(21,2)conductance différentielle (u.a.)bmatériau conducteur ou bien semi-conducteur.Les<strong>nano</strong>tubes de carbone sont à ce jour les seuls matériauxconnus à posséder ce comportement. L’étude<strong>théorique</strong> <strong>des</strong> propriétés électroniques <strong>des</strong> SWNTsprédit qu’ils sont métalliques lorsque (n - m) est multiplede 3, alors que dans le cas contraire, la structureélectronique <strong>des</strong> <strong>nano</strong>tubes présente un gap d’énergie,<strong>et</strong> le système se comporte comme un semi-conducteur(encadré). Le gap <strong>des</strong> <strong>nano</strong>tubes semi-conducteursest inversement proportionnel à leur diamètre,ce qui le rend assez facilement contrôlable. Typiquement,un <strong>nano</strong>tube semi-conducteur de diamètred’environ 1,4 nm présente un gap de près de 0,6 eV.Pour l’étude expérimentale <strong>des</strong> propriétés électroniquesde ce type de système moléculaire, le microscopeà eff<strong>et</strong> tunnel (STM) se révèle l’un <strong>des</strong> outils lesplus puissants (voir Les microscopies à sonde locale :contact <strong>et</strong> manipulation).Les prévisions <strong>théorique</strong>s surles propriétés électroniques <strong>des</strong> <strong>nano</strong>tubes de carboneont été confirmées par <strong>des</strong> étu<strong>des</strong> de spectroscopi<strong>et</strong>unnel en champ proche (STS). Dans c<strong>et</strong>te techniqueexpérimentale,le courant tunnel I est mesuré en fonctionde la tension de polarisation V bias appliquée entrela pointe <strong>et</strong> le substrat (encadré G, L’eff<strong>et</strong> tunnel, unphénomène quantique,p.94). Si un système moléculaireest situé entre la pointe <strong>et</strong> le substrat, la conductancedifférentielle dI/dV est proportionnelle à ladensité d’états électronique locale de ce système. Dansle cas <strong>des</strong> <strong>nano</strong>tubes, la présence ou non d’un gapainsi que les pics dans la densité d’états (singularitésde Van Hove dues au confinement quantique le longde la circonférence) ont été clairement observés expérimentalement.La figure 2 représente l’image STMd’une jonction de deux <strong>nano</strong>tubes d’hélicités différentes,obtenue par le groupe de Charles M. Lieber(Université de Harvard, États-Unis). La résolutiontrès fine de ces images a permis de déterminer l’hélicité<strong>des</strong> deux tronçons, (22,-5) <strong>et</strong> (21,2), <strong>et</strong> donc deprédire que le premier est métallique <strong>et</strong> le secondsemi-conducteur. Ces prédictions sont confirméespar les spectres STS (densités d’états électroniqueslocales) mesurés sur chacun <strong>des</strong> tronçons (figure 2b):une bande interdite de 0,45 eV est observée pour le<strong>nano</strong>tube (21,2).Des jonctions intramoléculaires idéalescomme transistorL’hélicité du <strong>nano</strong>tube détermine,comme cela a été vuprécédemment, son caractère métallique ou semiconducteur.La figure 2 montre qu’il existe expérimentalement<strong>des</strong> jonctions de <strong>nano</strong>tubes d’hélicitésdifférentes, même si l’opérateur ne sait pas encorecontrôler leur apparition au cours d’une synthèse. Auniveau <strong>théorique</strong>, il est possible de prédire tous lescouples de <strong>nano</strong>tubes aptes à former une jonctionchimiquement stable.Par exemple,l’introduction d’unepaire pentagone-heptagone dans le réseau hexagonalpeut faire passer d’un <strong>nano</strong>tube (n,m) à un <strong>nano</strong>tube(n±1,m±1). Des jonctions intramoléculaires semiconducteur(1)/semi-conducteur(2),commepar exemple(10,0)/(11,0), ou métal/semi-conducteur, tel(8,0)/(7,1),sont ainsi susceptibles d’être créées.La jonctionreprésentée sur la figure 2 nécessite <strong>théorique</strong>ment3 paires pentagone-heptagone disposées le longde la circonférence, mais l’image STM n’a pas unerésolution suffisante dans c<strong>et</strong>te zone pour observerl’un de ces défauts structuraux.0,45 eV1,29 eV-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5énergie (eV)IOP Publishing Ltd52CLEFS <strong>CEA</strong> - N° 52 - ÉTÉ 2005


Ces constructions <strong>théorique</strong>s peuvent être généraliséesau cas de doubles jonctions métal/semi-conducteur/métalqui constituent <strong>des</strong> hétérojonctions idéales pour fabriquer<strong>des</strong> transistors à eff<strong>et</strong> de champ (figure 3). Ceshétérojonctions pourraient s’avérer être <strong>des</strong> transistorsintramoléculaires de dimensions ultimes <strong>et</strong> présenter<strong>des</strong> caractéristiques très intéressantes.La figure 4montre la conductance de l’hétérojonction particulièreschématisée sur la figure 3 en fonction de l’énergied’injection <strong>des</strong> charges. Pour <strong>des</strong> longueurs de canalsemi-conducteur trop courtes (L 5nm, l’injection de charges estcorrectement bloquée dans la zone d’énergie dugap, <strong>et</strong> l’hétérojonction peut donc être utilisée enfonctionnement de type transistor.Des applications potentiellesen <strong>nano</strong>électroniqueUne autre caractéristique importante du transport decharges dans les <strong>nano</strong>tubes est la faible sensibilité audésordre,ce qui résulte dans <strong>des</strong> libres parcours moyensau-delà du micron. Ceci perm<strong>et</strong> d’obtenir de trèsbons conducteurs de charges balistiques <strong>et</strong> aussi <strong>des</strong>transistors à eff<strong>et</strong> de champ, basés sur <strong>des</strong> <strong>nano</strong>tubessemi-conducteurs agissant en régime balistique.Ainsi, en raison de leur p<strong>et</strong>it diamètre <strong>et</strong> de leurs propriétésélectriques, les <strong>nano</strong>tubes de carbone apparaissentcomme le matériau idéal pour remplacer lesconducteurs <strong>et</strong> les semi-conducteurs contenus dans lescircuits intégrés actuels. Avec les <strong>nano</strong>tubes, il seraitpar exemple possible de disposer un plus grand nombrede transistors sur un même circuit intégré <strong>et</strong> doncd’augmenter considérablement la puissance <strong>des</strong> pucesutilisées dans les ordinateurs <strong>et</strong> les téléphones cellulaires.Il n’en fallait pas plus aux laboratoires de recherche<strong>et</strong> à l’industrie <strong>des</strong> circuits intégrés pour s’engager dansune course effrénée vers la construction de composantsélectroniques à base de <strong>nano</strong>tubes de carbone. C<strong>et</strong>tesolution de rechange à la miniaturisation <strong>des</strong> circuitsintégrés à base de silicium – qui est sur le pointd’atteindre ses limites technologiques – constitue ledébut de l’ère <strong>des</strong> <strong>nano</strong>circuits moléculaires.En 1998, le premier transistor moléculaire constituéd’un <strong>nano</strong>tube de carbone monoparoi semi-conducteura été fabriqué dans le groupe de Cees Dekker àl’Université de Delft (Pays-Bas).Le <strong>nano</strong>tube est connectéà deux électro<strong>des</strong> métalliques <strong>et</strong> soumis à l’influenced’une grille électrostatique.C<strong>et</strong>te grille perm<strong>et</strong> de décalerles ban<strong>des</strong> d’énergie du <strong>nano</strong>tube jusqu’à aligner labande de valence ou la bande de conduction avec leniveau de Fermi imposé par les électro<strong>des</strong>, autorisantainsi le passage du courant. D’autres groupes expérimentauxcomme celui de Phaedon Avouris (IBMT. J.Watson Center,États-Unis) ou celui de Hongjie DaiMolecular Biophysics group/Delft University of Technologyconductance (unités de G0)1412108642L = 2,5 nmL =5 nm(11,0)énergie (eV)(12,0)Figure 4.Conductance en fonction de l’énergie de l’hétérojonction intramoléculaire métal (12,0)/semiconducteur(11,0)/métal (12,0) pour une longueur L du canal semi-conducteur de 2,5 nm (traitplein) <strong>et</strong> 5 nm (pointillé). Si le système est électriquement neutre (non soumis à une grille),le niveau de Fermi se trouve à E =0 <strong>et</strong> la conductance est nulle pour L supérieur à 5 nmenviron, car la barrière tunnel constituée par le tube semi-conducteur devient trop large.La conductance <strong>des</strong> tronçons métallique (pointillé bleu) <strong>et</strong> semi-conducteur (trait rouge)est aussi représentée. L’unité de l’axe <strong>des</strong> ordonnées est le quantum de conductance :G 0 =2e 2 /h = (12,9 kΩ) -1 .(Université de Stanford, États-Unis) ont rapidementconstruit <strong>des</strong> transistors basés sur le même principe.Suivant la nature <strong>des</strong> électro<strong>des</strong> de contact <strong>et</strong> les caractéristiques<strong>des</strong> <strong>nano</strong>tubes semi-conducteurs, le diamètreen particulier, les transistors à eff<strong>et</strong> de champ à basede <strong>nano</strong>tubes peuvent se comporter soit comme <strong>des</strong>transistors MOSFET classiques avec <strong>des</strong> contacts dits“ohmiques”, soit comme <strong>des</strong> transistors de typeSchottky, où les mécanismes d’injection de charges àl’interface métal/<strong>nano</strong>tube dominent les caractéristiquescourant-tension du dispositif. Par “contactohmique”, il faut entendre que la barrière tunnel auxinterfaces est suffisamment p<strong>et</strong>ite <strong>et</strong> fine pour que lefranchissement par eff<strong>et</strong> tunnel (encadré G, L’eff<strong>et</strong>Structure en 3D d’un<strong>nano</strong>tube de carbone,obtenue à partir d’imagesen microscopie à eff<strong>et</strong> tunnel.Le microscope à eff<strong>et</strong> tunnelest un outil très puissantpour étudier les propriétésélectroniques de ces<strong>nano</strong>-obj<strong>et</strong>s.0- 4 - 2 0 2 4Figure 3.Schéma d’une jonctionintramoléculaire métal/semiconducteur/métaldont lastabilité est prédite<strong>théorique</strong>ment.Les hélicités <strong>des</strong> tronçons sontrespectivement (12,0), (11,0) <strong>et</strong>(12,0).CLEFS <strong>CEA</strong> - N° 52 - ÉTÉ 2005 53


Des briques pour le <strong>nano</strong>monde<strong>Modélisation</strong> <strong>théorique</strong> <strong>et</strong> <strong>simulation</strong> <strong>numérique</strong><strong>des</strong> <strong>nano</strong>-obj<strong>et</strong>sLes <strong>nano</strong>technologies peuvent largement bénéficier <strong>des</strong> apports de la <strong>simulation</strong> <strong>numérique</strong> à une échelleoù il est difficile de tout mesurer. Le physicien américain Richard P. Feynman stigmatisait, dès le début<strong>des</strong> années 1980, les potentialités de la <strong>simulation</strong> <strong>numérique</strong> <strong>des</strong> équations de la physique quantiquepour approfondir la connaissance <strong>et</strong> le contrôle du monde à l’échelle <strong>nano</strong>métrique. Les métho<strong>des</strong> dites“premiers principes” ou modèle ab initio s’appuient sur la résolution <strong>des</strong> équations fondamentales de lamécanique quantique à partir de la seule connaissance <strong>des</strong> positions atomiques (approximatives). Cesapproches basées notamment sur la théorie de la fonctionnelle de densité offrent une bonne <strong>des</strong>cription<strong>des</strong> propriétés structurales <strong>et</strong> électroniques <strong>des</strong> <strong>nano</strong>structures métalliques ou semi-conductrices,en parfait accord avec les caractérisations expérimentales <strong>des</strong> mêmes obj<strong>et</strong>s. Au-delà, l’étude du transfertde charges ou du transport électronique au travers de ces systèmes représente un véritable défi,étant donné la complexité <strong>et</strong> la richesse du problème. Le coût <strong>numérique</strong> de tels calculs explose en eff<strong>et</strong>littéralement avec le nombre d’atomes. Malgré l’augmentation de la puissance <strong>des</strong> calculateurs <strong>et</strong> l’utilisation<strong>des</strong> techniques de “parallélisation”, le développement d’approches multi-échelles se révèle êtrela seule voie pour résoudre <strong>des</strong> problèmes aussi complexes. Ainsi, en combinant les approches ab initioaux métho<strong>des</strong> dites semi-empiriques, fondées sur une <strong>des</strong>cription simplifiée du système paramétrée surles calculs ab initio, les chercheurs du Département de recherche fondamentale sur la matière condensée(<strong>CEA</strong>/DRFMC) ont développé <strong>des</strong> métho<strong>des</strong> de calcul de la structure électronique <strong>des</strong> <strong>nano</strong>-obj<strong>et</strong>s <strong>et</strong><strong>des</strong> métho<strong>des</strong> de calcul du transport quantique au travers de <strong>nano</strong>tubes de carbone dopés chimiquement,sur <strong>des</strong> échelles de l’ordre du micron. Ces métho<strong>des</strong> sont applicables aux <strong>nano</strong>fils semi-conducteurs<strong>et</strong> perm<strong>et</strong>tent même d’envisager la <strong>simulation</strong> de nouveaux types de composants comme <strong>des</strong>capteurs (bio)chimiques ultrasensibles, <strong>des</strong> mémoires moléculaires à grille flottante (voir Doter les <strong>nano</strong>obj<strong>et</strong>sde propriétés nouvelles par greffage moléculaire, figure 4) ou <strong>des</strong> transistors photosensibles.> Stephan Roche, Yann-Michel Niqu<strong>et</strong> <strong>et</strong> François Triozon*Direction <strong>des</strong> sciences de la matière <strong>et</strong> *Direction de la recherche technologique<strong>CEA</strong> centre de Grenobl<strong>et</strong>unnel,un phénomène quantique,p.94) l’emporte surl’eff<strong>et</strong> thermo-ionique.La résistance de contact est alorspeu dépendante de la température <strong>et</strong> la caractéristiquecourant-tension est linéaire même à tension faible (pasd’eff<strong>et</strong> de diode).Ce type d’étu<strong>des</strong> intéresse tout autant les laboratoiresde recherche publics que les laboratoires appartenantà l’industrie <strong>des</strong> circuits intégrés (IBM, Infineon…).Chaque groupe développe <strong>des</strong> solutions originales <strong>et</strong>variées pour la synthèse de <strong>nano</strong>tubes, la connexion à<strong>des</strong> électro<strong>des</strong> métalliques, ou l’intégration <strong>des</strong> transistors.Globalement, l’intérêt pour les <strong>nano</strong>tubes decarbone n’a cessé de croître aussi bien pour de possiblesapplications en <strong>nano</strong>électronique que pour <strong>des</strong>étu<strong>des</strong> fondamentales en science <strong>des</strong> matériaux.Aujourd’hui,le <strong>CEA</strong> a une activité très développée dansle domaine <strong>des</strong> <strong>nano</strong>tubes. À Saclay, le groupe deJean-Philippe Bourgoin au Département de recherchesur l’état condensé,les atomes <strong>et</strong> les molécules (Drecam)travaille entre autres sur l’optimisation <strong>des</strong> transistors<strong>et</strong> sur leur interaction avec l’environnement (capteurschimiques ou optiques),voir L’électronique moléculaire,domaine au carrefour de la chimie, de la physique <strong>et</strong> del’ingénierie. À Grenoble, l’équipe de Jean Dijon auLaboratoire d’électronique <strong>et</strong> de technologie de l’information(L<strong>et</strong>i) m<strong>et</strong> au point <strong>des</strong> écrans plats basés surl’émission de champ d’un “tapis” dense de <strong>nano</strong>tubes(voir Les <strong>nano</strong>tubes,canons à électrons à usages multiples).L’activité “<strong>simulation</strong> atomistique” (encadré) se développeconjointement entre le Département de recherchefondamentale sur la matière condensée (DRFMC)<strong>et</strong> le L<strong>et</strong>i, <strong>et</strong> bénéficie d’une forte interaction avec leLaboratoire d’électronique moléculaire de Saclay.Enfin, <strong>des</strong> équipes du DRFMC <strong>et</strong> du Département <strong>des</strong>technologies pour l’énergie <strong>et</strong> les <strong>nano</strong>matériaux (DTEN)travaillent sur la croissance de <strong>nano</strong>tubes monoparoispar le procédé CVD en vue de leur intégration à grandeéchelle dans l’électronique au silicium.> François TriozonDirections de la recherche technologique<strong>et</strong> <strong>des</strong> sciences de la matière<strong>CEA</strong> centre de GrenobleMolecular Biophysics group/Delft Universityof TechnologyImage en microscopie à force atomique d’un <strong>nano</strong>tube decarbone monoparoi entre <strong>des</strong> électro<strong>des</strong>.POUR EN SAVOIR PLUSS. IIJIMA, Nature, 354, p. 56, 1991.T. ODOM, J. HUANG <strong>et</strong> C. LIEBER, J. Phys. C., 14 R145,2002.F. TRIOZON, PH.LAMBIN <strong>et</strong> S. ROCHE, Nanotechnology,16, p. 230, 2005.S. AUVRAY, J. BORGHETTI, M.-F. GOFFMAN, A. FILORAMO,V. DERYCKE, J.-P. BOURGOIN <strong>et</strong> O. JOST, Appl. Phys.L<strong>et</strong>t., 84, p. 5106, 2004.54CLEFS <strong>CEA</strong> - N° 52 - ÉTÉ 2005


ADu monde macroscopique au <strong>nano</strong>monde, ou l’inverse…Afin de se représenter plus aisémentles dimensions <strong>des</strong> obj<strong>et</strong>smicro <strong>et</strong> <strong>nano</strong>scopiques*, il est pratiquede procéder à <strong>des</strong> comparaisons<strong>et</strong> courant de faire correspondre différenteséchelles, par exemple celle dumonde du vivant, de la molécule àl’homme, <strong>et</strong> celle <strong>des</strong> obj<strong>et</strong>s manipulésou fabriqués par lui (figure). C<strong>et</strong>tecorrespondance entre “artificiel” <strong>et</strong>“naturel” perm<strong>et</strong>, par exemple, de voirque <strong>des</strong> <strong>nano</strong>particules fabriquéesartificiellement sont plus p<strong>et</strong>ites que<strong>des</strong> globules rouges.Un autre mérite de c<strong>et</strong>te juxtapositionest d’illustrer les deux gran<strong>des</strong> façons*Du grec <strong>nano</strong> qui signifie “tout p<strong>et</strong>it”<strong>et</strong> est utilisé comme préfixe pour désignerle milliardième (10 -9 ) d’une unité. Enl’occurrence, le <strong>nano</strong>mètre (1 nm = 10 -9 m,soit un milliardième de mètre) est l’unitéreine du monde <strong>des</strong> <strong>nano</strong>sciences <strong>et</strong> <strong>des</strong><strong>nano</strong>technologies.Tranche de silicium de 300 mm réalisée par l’Alliance Crolles2, illustration de la démarch<strong>et</strong>op-down actuelle de la microélectronique.Artechniqued’élaborer <strong>des</strong> obj<strong>et</strong>s ou <strong>des</strong> systèmes<strong>nano</strong>métriques : la voie <strong>des</strong>cendante(top-down) <strong>et</strong> la voie ascendante(bottom-up). Deux chemins mènent eneff<strong>et</strong> au <strong>nano</strong>monde : la fabricationmoléculaire, qui passe par la manipulationd’atomes individuels <strong>et</strong> laconstruction à partir de la base, <strong>et</strong>l’ultraminiaturisation, qui produit <strong>des</strong>systèmes de plus en plus p<strong>et</strong>its.La voie <strong>des</strong>cendante est celle du mondeartificiel, qui part de matériaux macroscopiques,ciselés par la main del’homme puis par ses instruments: c’estelle qu’a empruntée l’électroniquedepuis plusieurs dizaines d’années,principalement avec le silicium commesubstrat, <strong>et</strong> ses “tranches” (wafers)comme entités manipulables. C’estd’ailleurs la microélectronique qui alargement contribué à donner à c<strong>et</strong>tevoie le nom anglais sous laquelle elleest connue. Mais il ne s’agit plus seulementd’adapter la miniaturisation dela filière silicium actuelle, mais ausside prendre en compte, pour s’en prémunirou les utiliser, les phénomènesphysiques, quantiques en particulier,qui apparaissent aux faibles dimensions.La voie ascendante peut perm<strong>et</strong>tre depasser outre ces limites physiques <strong>et</strong>aussi de réduire les coûts de fabrication,en utilisant notamment l’autoassemblage<strong>des</strong> composants. C’est elleque suit la vie en pratiquant l’assemblagede molécules pour créer <strong>des</strong> protéines,enchaînement d’aci<strong>des</strong> aminésque <strong>des</strong> super-molécules, les aci<strong>des</strong>nucléiques (ADN, ARN), savent faire produireau sein de cellules pour former<strong>des</strong> organismes, les faire fonctionner <strong>et</strong>se reproduire tout en se complexifiant.C<strong>et</strong>te voie, dite “bottom-up”, vise à organiserla matière à partir de “briques debase”, dont les atomes eux-mêmes sontles plus p<strong>et</strong>its constituants, à l’instardu monde vivant. La <strong>nano</strong>électroniquedu futur cherche à emprunter c<strong>et</strong>te voied’assemblage pour aboutir à moindrecoût à la fabrication d’éléments fonctionnels.Les <strong>nano</strong>sciences peuvent ainsi êtredéfinies comme l’ensemble <strong>des</strong> recherchesvisant à la compréhension <strong>des</strong>propriétés (physiques, chimiques <strong>et</strong>biologiques) <strong>des</strong> <strong>nano</strong>-obj<strong>et</strong>s ainsiqu’à leur fabrication <strong>et</strong> à leur assemblagepar auto-organisation.Les <strong>nano</strong>technologies regroupent l’ensemble<strong>des</strong> savoir-faire qui perm<strong>et</strong>tentde travailler à l’échelle moléculairepour organiser la matière afin deréaliser ces obj<strong>et</strong>s <strong>et</strong> matériaux, éventuellementjusqu’à l’échelle macroscopique.


A(Suite)mondevivantmoléculequelques Å<strong>CEA</strong>ADN3,4 nmM. Freeman/Photolinkvirus0,1 µmGeostockglobule rouge5µmD. R.cheveu 50 µm(diamètre)grain de pollen10 µm à 20 µmE. Pollard/PhotolinkIBM Researchpuce1mmE. Pollard/Photolinkfourmi1cmFrédéric Balleneggerpapillon5cmPat Powers and Cherryl Schaferhomme2mS. Wanke/Photolinkvoieascendante“bottom-up”0,1 nm1 nm10 nm 100 nm 1µm 10 µm 100 µm 1mm 1cm 10 cm 1m<strong>nano</strong>monde10 -10 m 10 -9 m 10 -8 m 10 -7 m 10 -6 m 10 -5 m 10 -4 m 10 -3 m 10 -2 m 10 -1 mvoie<strong>des</strong>cendante“top-down”atome1 nmboîte quantique5 nmA. Ponch<strong>et</strong>, CNRS/CEMES<strong>nano</strong>particule10 nm<strong>nano</strong>transistor20 nm<strong>CEA</strong>/DRFMC/J.-M. Pénisson<strong>CEA</strong>-L<strong>et</strong>itransistor“Cooper”1µminterconnexionsde circuit intégré1-10 µm<strong>CEA</strong>-L<strong>et</strong>i<strong>CEA</strong>-L<strong>et</strong>imicrosystème10-100 µmTronicsArtechnique/<strong>CEA</strong>puce de carte1cmtéléphoneportable 10 cmD. Michon-Artechnique/<strong>CEA</strong>véhiculeindividuel 2 mPSA-Peugeot Citroënmondeartificiel


BQuelques repères de physique quantiqueLa physique quantique (historiquementdénommée mécanique quantique)est l’ensemble <strong>des</strong> lois physiquesqui s’appliquent à l’échelle microscopique.Fondamentalement différentesde la plupart de celles qui semblents’appliquer à notre propre échelle, ellesn’en constituent pas moins le socle globalde la physique à toutes ses échelles.Mais à l’échelle macroscopique, sesmanifestations ne nous apparaissentpas étranges, à l’exception d’un certainnombre de phénomènes a prioricurieux, comme la supraconductivitéou la superfluidité , qui justement nes’expliquent que par les lois de laphysique quantique. Au demeurant, lepassage du domaine de validité <strong>des</strong> loisparadoxales de c<strong>et</strong>te physique à celui<strong>des</strong> lois, plus simples à imaginer, de laphysique classique peut s‘expliquerd’une façon très générale, comme celasera évoqué plus loin.La physique quantique tire son nomd’une caractéristique essentielle <strong>des</strong>obj<strong>et</strong>s quantiques: <strong>des</strong> caractéristiquescomme le moment angulaire (spin) <strong>des</strong>particules sont <strong>des</strong> quantités discrètesou discontinues appelées quanta, quine peuvent prendre que <strong>des</strong> valeursmultiples d’un quantum élémentaire. Ilexiste de même un quantum d’action(produit d’une énergie par une durée)“Vue d’artiste” de l’équation de Schrödinger.appelé constante de Planck (h), dont lavaleur est de 6,626·10 -34 joule·seconde.Alors que la physique classique distingueon<strong>des</strong> <strong>et</strong> corpuscules, la physiquequantique englobe en quelque sorte cesdeux concepts dans un troisième, quidépasse la simple dualité onde-corpusculeentrevue par Louis de Broglie,<strong>et</strong> qui, quand nous tentons de l’appréhender,semble tantôt proche du premier<strong>et</strong> tantôt du deuxième. L’obj<strong>et</strong> quantiqueconstitue une entité inséparablede ses conditions d’observation, sansattribut propre. Et cela, qu’il s’agissed’une particule – en aucun cas assimilableà une bille minuscule qui suivraitune quelconque trajectoire – de lumière(photon) ou de matière (électron, proton,neutron, atome…).C<strong>et</strong>te caractéristique donne toute sa forceau principe d’incertitude d’Heisenberg,autre base de la physique quantique.Selon ce principe (d’indéterminationplutôt que d’incertitude), il est impossiblede définir avec précision à un instantdonné à la fois la position d’une particule<strong>et</strong> sa vitesse. La mesure, qui restepossible, n’aura jamais une précisionmeilleure que h, la constante de Planck.Ces grandeurs n’ayant pas de réalitéintrinsèque en dehors du processusd’observation, c<strong>et</strong>te déterminationsimultanée de la position <strong>et</strong> de la vitesseest simplement impossible.D. Sarraute/<strong>CEA</strong>


B (Suite)POUR EN SAVOIR PLUSC’est qu’à tout instant l’obj<strong>et</strong> quantiqueprésente la caractéristique de superposerplusieurs états, comme une onde peutêtre le résultat de l’addition de plusieursautres. Dans le domaine quantique, lahauteur d’une onde (assimilable à celled’une vague par exemple) a pour équivalentune amplitude de probabilité (ouonde de probabilité), nombre complexeassocié à chacun <strong>des</strong> états possibles d’unsystème qualifié ainsi de quantique.Mathématiquement, un état physiqued’un tel système est représenté par unvecteur d’état, fonction qui, en vertu duprincipe de superposition, peut s’ajouterà d’autres. Autrement dit, la somme dedeux vecteurs d’état possibles d’un systèmeest aussi un vecteur d’état possibledu système. De plus, le produit de deuxespaces vectoriels est aussi la sommede produits de vecteurs, ce qui traduitl’intrication: un vecteur d’état étant généralementétalé dans l’espace, l’idée delocalité <strong>des</strong> obj<strong>et</strong>s ne va plus de soi. Dansune paire de particules intriquées, c’està-direcréées ensemble ou ayant déjàinteragi l’une sur l’autre, décrite par leproduit <strong>et</strong> non par la somme de deux vecteursd’état individuels, le <strong>des</strong>tin de chacuneest lié à celui de l’autre, quelle quesoit la distance qui pourra les séparer.C<strong>et</strong>te caractéristique, également appeléel’enchevêtrement quantique d’états, a<strong>des</strong> implications vertigineuses, sansparler <strong>des</strong> applications imaginables, dela cryptographie quantique à – pourquoine pas rêver? – la téléportation.Dès lors, la possibilité de prévoir le comportementd’un système quantique n’estqu’une prédictibilité probabiliste <strong>et</strong> statistique.L’obj<strong>et</strong> quantique est en quelquesorte une “juxtaposition de possibles”.Tant que la mesure sur lui n’est pas faite,la grandeur censée quantifier la propriétéphysique recherchée n’est passtrictement définie. Mais dès que c<strong>et</strong>temesure est engagée, elle détruit lasuperposition quantique, par réductiondu paqu<strong>et</strong> d’on<strong>des</strong>, comme WernerHeisenberg l’énonçait en 1927.Toutes les propriétés d’un système quantiquepeuvent être déduites à partir del’équation proposée l’année précédentepar Erwin Schrödinger. La résolution dec<strong>et</strong>te équation de Schrödinger perm<strong>et</strong>de déterminer l’énergie du système ainsique la fonction d’onde, notion qui a donctendance à être remplacée par celled’amplitude de probabilité.Selon un autre grand principe de la physiquequantique, le principe (d’exclusion)de Pauli, deux particules identiquesde spin 5 (c’est-à-dire <strong>des</strong> fermions, enparticulier les électrons) ne peuvent avoirà la fois la même position, le même spin<strong>et</strong> la même vitesse (dans les limitesposées par le principe d’incertitude),c’est-à-dire se trouver dans le mêmeétat quantique. Les bosons (en particulierles photons), ne suivent pas ce principe<strong>et</strong> peuvent se trouver dans le même étatquantique.La coexistence <strong>des</strong> états superposésdonne sa cohérence au système quantique.Dès lors, la théorie de la décohérencequantique peut expliquer pourquoiles obj<strong>et</strong>s macroscopiques ont uncomportement “classique” tandis queles obj<strong>et</strong>s microscopiques, atomes <strong>et</strong>autres particules, ont un comportementquantique. Plus sûrement encore qu’undispositif de mesure pointu, “l’environnement”(l’air, le rayonnement ambiant,<strong>et</strong>c.) exerce son influence, éliminantradicalement toutes les superpositionsd’état à c<strong>et</strong>te échelle. Plus le systèmeconsidéré est gros, plus il est en eff<strong>et</strong>couplé à un grand nombre de degrés deliberté de c<strong>et</strong> environnement. Et doncmoins il a de “chances” – pour resterdans la logique probabiliste – de sauvegarderune quelconque cohérencequantique.Étienne KLEIN, P<strong>et</strong>it voyagedans le monde <strong>des</strong> quanta, Champs,Flammarion, 2004.


CL’épitaxie par j<strong>et</strong>s moléculairesLa fabrication <strong>des</strong> puits quantiquesutilise la technique d’épitaxie (dugrec taxi (ordre) <strong>et</strong> epi (<strong>des</strong>sus) par j<strong>et</strong>smoléculaires (en anglais MBE, pourMolecular Beam Epitaxy). Le principe dec<strong>et</strong>te technique de dépôt physique,développée initialement pour la croissancecristalline <strong>des</strong> semi-conducteursde la famille III-V, est fondé sur l’évaporation<strong>des</strong> différents constituantspurs du matériau à élaborer dans uneenceinte où est maintenu un vide poussé(pression pouvant être de l’ordre de5·10 -11 mbar) afin d’éviter toute pollutionde la surface. Un ou <strong>des</strong> j<strong>et</strong>s thermiquesd’atomes ou de moléculesréagissent sur la surface propre d’unsubstrat monocristallin, placé sur unsupport maintenu à haute température(quelques centaines de °C), qui sert d<strong>et</strong>rame pour former un film dit épitaxique.Il est ainsi possible de fabriquer<strong>des</strong> empilements de couches aussifines que le millionième de millimètre,c’est-à-dire composées de seulementquelques plans d’atomes.Les éléments sont évaporés ou sublimésà partir d’une source de hautepur<strong>et</strong>é, placée dans une cellule à effusion(chambre dans laquelle un fluxmoléculaire passe d’une région oùrègne une pression donnée à une régionde plus basse pression) chauffée pareff<strong>et</strong> Joule.La croissance du film peut être suiviein situ <strong>et</strong> en temps réel en utilisant diversesson<strong>des</strong> structurales <strong>et</strong> analytiques,en particulier <strong>des</strong> techniques d’étudede la qualité <strong>des</strong> surfaces <strong>et</strong> de leurstransitions de phase par diffractionélectronique en incidence rasante, LEED(pour Low energy electron diffraction) ouRHEED (pour Reflection high-energyelectron diffraction) <strong>et</strong> diverses métho<strong>des</strong>spectroscopiques (spectroscopied’électrons Auger, SIMS (spectrométriede masse d’ions secondaires), spectrométriede photoélectrons XPS parrayons X <strong>et</strong> UPS (Ultraviol<strong>et</strong> photoelectronspectroscopy).La technique d’épitaxie par j<strong>et</strong>s moléculairess’est étendue à d’autres semiconducteursque les III-V, à <strong>des</strong> métaux<strong>et</strong> à <strong>des</strong> isolants, se développant avecles progrès <strong>des</strong> techniques d’ultravide.Le vide régnant dans la chambre decroissance, dont la conception varieen fonction de la nature du matériauà déposer, doit en eff<strong>et</strong> être meilleureque 10 -11 mbar pour perm<strong>et</strong>tre lacroissance d’un film de haute pur<strong>et</strong>é<strong>et</strong> d’excellente qualité cristalline à<strong>des</strong> températures de substrat relativementbasses. Il s’agit de qualité devide lorsque le bâti est au repos. Pourla croissance d’arséniures, par exemple,le vide résiduel est de l’ordre de10 -8 mbar dès que la cellule d’arsenicest portée à sa température deconsigne pour la croissance.Le pompage pour atteindre ces performancesfait appel à plusieurs techniques(pompage ionique, cryopompage,sublimation de titane, pompes àdiffusion ou turbomoléculaires). Lesprincipales impur<strong>et</strong>és (H 2 , H 2 O, CO <strong>et</strong>CO 2 ) peuvent présenter <strong>des</strong> pressionspartielles inférieures à 10 -13 mbar.


DLe transistor, composant de base <strong>des</strong> circuits intégrésEn décembre 1947, John Bardeen<strong>et</strong> Walter H. Brattain réalisaient lepremier transistor en germanium.Avec William B. Shockley, aux BellLaboratories, ils développaient l’annéesuivante le transistor à jonction <strong>et</strong> lathéorie associée. Au milieu <strong>des</strong> années1950, les transistors seront réalisés ensilicium (Si), qui reste aujourd’hui lesemi-conducteur généralement utilisé,vu la qualité inégalée de l’interface crééepar le silicium <strong>et</strong> l’oxyde de silicium (SiO 2 ),qui sert d’isolant.commutateurtransistorvue en coupeL g =longueur de grillesourcesourcesourceisolementgrille de commandegrillegrillecanalsubstrat Sidraindrainisolant de grilleFigure.Un transistor MOS est un commutateur qui perm<strong>et</strong> de commander le passage d’un courantélectrique de la source (S) vers le drain (D) à l’aide d’une grille (G) isolée électriquementdu canal de conduction. Le substrat en silicium est noté B (pour Bulk).L gisolementdrainEn 1958, Jack Kilby invente le circuitintégré en fabriquant cinq composantssur le même substrat. Les années 1970verront le premier microprocesseur d’Intel(2250 transistors) <strong>et</strong> les premières mémoires.La complexité <strong>des</strong> circuits intégrésne cessera de croître exponentiellementdepuis (doublement tous les deux-troisans, selon la “loi de Moore”) grâce à laminiaturisation <strong>des</strong> transistors.Le transistor (de l’anglais transfer resistor,résistancede transfert), composantde base <strong>des</strong> circuits intégrés microélectroniques,le restera mutatis mutandisà l’échelle de la <strong>nano</strong>électronique:adapté également à l’amplification,entre autres fonctions, il assume eneff<strong>et</strong> une fonction basique essentielle:laisser passer un courant ou l’interrompreà la demande, à la manière d’uncommutateur (figure). Son principe debase s’applique donc directement autraitement du langage binaire (0, le courantne passe pas; 1, il passe) dans <strong>des</strong>circuits logiques (inverseurs, portes,additionneurs, cellules mémoire).Le transistor, fondé sur le transport <strong>des</strong>électrons dans un solide <strong>et</strong> non plusdans le vide comme dans les tubesélectroniques <strong>des</strong> anciennes trio<strong>des</strong>,est composé de trois électro<strong>des</strong> (anode,cathode <strong>et</strong> grille) dont deux servent deréservoirs à électrons: la source, équivalentdu filament ém<strong>et</strong>teur du tubeélectronique, le drain, équivalent de laplaque collectrice, <strong>et</strong> la grille, le “contrôleur”.Ces éléments ne fonctionnent pasde la même manière dans les deuxprincipaux types de transistors utilisésaujourd’hui, les transistors bipolaires àjonction, qui ont été les premiers à êtreutilisés, <strong>et</strong> les transistors à eff<strong>et</strong> de champ(en anglais FET, Field Effect Transistor).Les transistors bipolaires m<strong>et</strong>tent enœuvre les deux types de porteurs decharge, les électrons (charges négatives)<strong>et</strong> les trous (charges positives), <strong>et</strong>se composent de deux parties de substratsemi-conducteur identiquement


D (Suite)dopées (p ou n), séparées par une mincecouche de semi-conducteur inversementdopée. L’assemblage de deux semiconducteursde types opposés (jonctionp-n) perm<strong>et</strong> de ne faire passer le courantque dans un sens. Qu’ils soient de typen-p-n ou p-n-p, les transistors bipolairessont fondamentalement <strong>des</strong> amplificateursde courant, commandés par uncourant de grille (1) : ainsi dans un transistorn-p-n, la tension appliquée à la partiep contrôle le passage du courant entreles deux régions n. Les circuits logiquesutilisant <strong>des</strong> transistors bipolaires, appelésTTL (Transistor Transistor Logic), sontplus consommateurs de courant que lestransistors à eff<strong>et</strong> de champ, qui présententun courant de grille nul en régimestatique <strong>et</strong> sont commandés par l’applicationd’une tension.Ce sont ces derniers, sous la forme MOS(Métal oxyde semi-conducteur), quicomposent aujourd’hui la plupart <strong>des</strong>circuits logiques du type CMOS (C pourcomplémentaire) (2) . Sur un cristal <strong>des</strong>ilicium de type p, deux régions de typen sont créées par dopage de la surface.Appelées là aussi source <strong>et</strong> drain, cesdeux régions ne sont donc séparées quepar un p<strong>et</strong>it espace de type p, le canal.Sous l’eff<strong>et</strong> d‘une tension positive surune électrode de commande placéeau-<strong>des</strong>sus du semi-conducteur <strong>et</strong> quiporte tout naturellement le nom de grille,les trous sont repoussés de sa surfaceoù viennent s’accumuler les quelquesélectrons du semi-conducteur. Un p<strong>et</strong>itcanal de conduction peut ainsi se formerentre la source <strong>et</strong> le drain (figure).Lorsqu’une tension négative est appliquéesur la grille, isolée électriquementpar une couche d’oxyde, les électronssont repoussés hors du canal. Plus latension positive est élevée, plus larésistance du canal diminue <strong>et</strong> plus cedernier laisse passer de courant.Dans un circuit intégré, les transistors <strong>et</strong>les autres composants (dio<strong>des</strong>, condensateurs,résistances) sont d’origine incorporésau sein d’une “puce” aux fonctionsplus ou moins complexes. Le circuit estconstitué d’un empilement de couchesde matériaux conducteurs ou isolantsdélimitées par lithographie (encadré E,La lithographie clé de la miniaturisation,p. 37). L’exemple le plus emblématiqueest le microprocesseur placé au cœur<strong>des</strong> ordinateurs <strong>et</strong> qui regroupe plusieurscentaines de millions de transistors (dontla taille a été réduite par 10000 depuisles années 1960) <strong>et</strong> bientôt un milliard,ce qui amène les industriels à fractionnerle cœur <strong>des</strong> processeurs en plusieurssous-unités travaillant en parallèle!Le tout premier transistor.Transistor 8 <strong>nano</strong>mètres développépar l’Alliance Crolles2 réunissantSTMicroelectrronics, Philips <strong>et</strong> FreescaleSemiconductor.STMicroelectronicsLucent Technologies Inc./Bell Labs(1) Figurent dans c<strong>et</strong>te catégorie les transistors de type Schottky ou à barrière Schottky qui sont <strong>des</strong> transistors à eff<strong>et</strong> de champ comportant unegrille de commande de type métal/semi-conducteur qui améliore la mobilité <strong>des</strong> porteurs de charge <strong>et</strong> le temps de réponse au prix d’une plus grandecomplexité.(2) On parle alors de transistor MOSFET (M<strong>et</strong>al-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).


ELa lithographie, clé de la miniaturisationLa lithographie optique (ouphotolithographie), applicationmajeure de l’interactionparticules/matière, est le procédétraditionnel de fabrication <strong>des</strong>circuits intégrés. Étape clé de ladéfinition <strong>des</strong> motifs de ces circuits,elle reste le verrou de leurdéveloppement. La résolutionétant en première approximationdirectement proportionnelle à lalongueur d’onde, la finesse <strong>des</strong>motifs a d’abord progressé avecla diminution, qui s’est effectuéepar sauts, de la longueur d’onde λdu rayonnement utilisé.L’opération consiste en l’expositionvia une optique réductrice d’une résinephotosensible à <strong>des</strong> particules énergétiques,depuis les photons ultraviol<strong>et</strong> (UV)actuellement utilisés jusqu’aux électronsen passant par les photons X <strong>et</strong> les ions,au travers d’un masque représentant le<strong>des</strong>sin d’un circuit. Le but ? Transférerc<strong>et</strong>te image sur l’empilement de couchesisolantes ou conductrices qui le constitueront,déposées précédemment (phasede couchage) sur une plaqu<strong>et</strong>te (wafer)de matériau semi-conducteur, en généralde silicium. Ce processus est suivi de ladissolution de la résine exposée à lalumière (développement). Les partiesexposées de la couche initiale peuventêtre alors gravées sélectivement, puis larésine est r<strong>et</strong>irée chimiquement avant ledépôt de la couche suivante. C<strong>et</strong>te étapede lithographie peut intervenir plus d’unevingtaine de fois au cours de la fabricationd’un circuit intégré (figure).Dans les années 1980, l’industrie de lamicroélectronique utilisait <strong>des</strong> lampes àmercure délivrant dans l’UV proche (raiesg, h, i), à travers <strong>des</strong> optiques en quartz,un rayonnement d’une longueur d’ondede 436 <strong>nano</strong>mètres (nm). Elle gravait ainsi<strong>des</strong> structures d’une largeur de trait de3 microns (µm). Employées jusqu’au milieu<strong>des</strong> années 1990, ces lampes ont étéremplacées par <strong>des</strong> lasers à excimèresém<strong>et</strong>tant dans l’UV lointain (krypton-fluorKrF à 248 nm, puis argon-fluor ArF à193 nm, les photons créés ayant une énergiede quelques électronvolts), perm<strong>et</strong>tantd’atteindre <strong>des</strong> résolutions de 110 nm,<strong>et</strong> même inférieures à 90 nm avec denouveaux procédés.Le Laboratoire d’électronique <strong>et</strong> de technologiede l’information (L<strong>et</strong>i) du <strong>CEA</strong> aété un <strong>des</strong> pionniers, dans les années1980, dans l’utilisation <strong>des</strong> lasers enZone de photolithographie en salle blanche dans l’usineSTMicroelectronics de Crolles (Isère).lithographie <strong>et</strong> dans la réalisation <strong>des</strong>circuits intégrés par les lasers à excimères,qui constituent aujourd’hui lessources employées pour la production<strong>des</strong> circuits intégrés les plus avancés.Pour l’industrie, l’étape suivante devait êtrele laser F 2 (λ = 157 nm), mais c<strong>et</strong>te lithographiea été quasiment abandonnée faceà la difficulté de réaliser <strong>des</strong> optiquesen CaF 2 , matériau transparent à c<strong>et</strong>telongueur d’onde.Si la diminution de la longueur d’onde <strong>des</strong>outils d’exposition a été le premier facteurà perm<strong>et</strong>tre le gain en résolution considérabledéjà obtenu, deux autres ont étédéterminants. Le premier a été la mise aupoint de résines photosensibles baséessur <strong>des</strong> matrices de polymères peu absorbantesaux longueurs d’onde utilisées <strong>et</strong>m<strong>et</strong>tant en œuvre <strong>des</strong> mécanismes dedépôt d’unenouvelle coucher<strong>et</strong>rait résineétalementde la résinegravurepropagation de l’énergie reçu<strong>et</strong>oujours plus innovants. Lesecond a consisté en l’amélioration<strong>des</strong> optiques avec une diminution<strong>des</strong> phénomènes parasitesliés à la diffraction (meilleure qualitéde surface, augmentation del’ouverture <strong>numérique</strong>).Au fil <strong>des</strong> années, la complexitéaccrue <strong>des</strong> systèmes optiquesa ainsi permis d’obtenir <strong>des</strong> résolutionsinférieures à la longueurd’onde de la source. C<strong>et</strong>te évolutionne pourra se poursuivresans une rupture technologiquemajeure, un saut important enlongueur d’onde. Pour les générations<strong>des</strong> circuits intégrés dont la résolutionminimale est comprise entre 80 <strong>et</strong>50 nm (le prochain “nœud” se situant à 65nm), différentes voies basées sur laprojection de particules à la longueurd’onde de plus en plus courte ont été misesen concurrence. Elles m<strong>et</strong>tent respectivementen œuvre <strong>des</strong> rayons X “mous”,en extrême ultraviol<strong>et</strong> (dans la gamme<strong>des</strong> 10 nm), <strong>des</strong> rayons X “durs” (à la longueurd’onde inférieure à 1 nm), <strong>des</strong> ionsou <strong>des</strong> électrons.L’étape consistant à atteindre <strong>des</strong> résolutionsinférieures à 50 nm conduira às’orienter plutôt vers la <strong>nano</strong>lithographieà l’aide d’électrons de basse énergie(10 eV) <strong>et</strong> d’outils plus adaptés comme lemicroscope à eff<strong>et</strong> tunnel ou l’épitaxiepar j<strong>et</strong>s moléculaires (encadré C) pour laréalisation de “super-réseaux”.centrifugationséchageFigure. Les différentes phases du processus de lithographie dont le but est de délimiter les couchesde matériaux conducteurs ou isolants qui constituent un circuit intégré. C<strong>et</strong>te opération estl’enchaînement d’un étalement de résine photosensible, de la projection du <strong>des</strong>sin d’un masque parune optique réductrice, suivis de la dissolution de la résine exposée à la lumière (développement).Les parties exposées de la couche initiale peuvent être alors gravées sélectivement, puis la résineest r<strong>et</strong>irée avant le dépôt de la couche suivante.Artechniquesourcedéveloppementmasqueoptiquede projectionexposition pas à pas(“step and repeal”)


GL’eff<strong>et</strong> tunnel, un phénomène quantiqueLa physique quantique prédit <strong>des</strong> comportementsinhabituels <strong>et</strong> difficiles àaccepter par notre intuition immédiate,comme l’eff<strong>et</strong> tunnel. Prenons le cas d’unebille devant franchir une bosse. En physiqueclassique, si l’énergie communiquéeà la bille est insuffisante, elle ne peut pasfranchir la bosse <strong>et</strong> r<strong>et</strong>ombe vers son pointde départ. En physique quantique, uneparticule (proton, électron) peut franchirla bosse, même si son énergie initiale estinsuffisante: elle peut passer de l’autrecôté comme par un p<strong>et</strong>it tunnel. L'eff<strong>et</strong>tunnel peut ainsi perm<strong>et</strong>tre à deux protonsde surmonter leur répulsion électrique à<strong>des</strong> vitesses relatives plus basses quecelles qu'indique le calcul classique. Lamicroscopie à eff<strong>et</strong> tunnel est basée surle fait qu’il y a une probabilité non nullequ’une particule d’énergie inférieure à lahauteur d’une barrière de potentiel (labosse) puisse la franchir. Les particulessont <strong>des</strong> électrons traversant l’espaceséparant deux électro<strong>des</strong>, une fine pointemétallique terminée par un atome unique<strong>et</strong> la surface métallique ou semi-conductricede l’échantillon. La physique classiquedonne d’une surface l’image d’unefrontière étanche, les électrons étant strictementconfinés à l’intérieur du solide. Parcontre, la physique quantique enseigneque chaque électron a un comportementondulatoire : sa position est “floue”. Enparticulier, au voisinage de la surface existeun nuage d’électrons dont la densité décroîttrès rapidement, de façon exponentielle,lorsque l’on s’éloigne du solide. L’électrona une certaine probabilité de se trouver“en dehors” du solide. Quand la fine pointemétallique est approchée de la surface, àune distance inférieure au <strong>nano</strong>mètre, lafonction d’onde associée à l’électron n’estpas nulle de l’autre côté de la barrière depotentiel, <strong>et</strong> les électrons passent de lasurface à la pointe, <strong>et</strong> réciproquement, pareff<strong>et</strong> tunnel. La barrière de potentiel franchiepar les électrons est appelée barrièr<strong>et</strong>unnel. Lorsqu’une faible tension est appliquéeentre la pointe <strong>et</strong> la surface, un couranttunnel peut être détecté. La pointe <strong>et</strong>la surface étudiée forment localement unejonction tunnel. L’eff<strong>et</strong> tunnel se manifesteégalement dans les jonctions Josephsonoù un courant continu peut passer à traversune étroite discontinuité entre deuxéléments supraconducteurs. Dans untransistor, l’eff<strong>et</strong> tunnel peut se révélerde manière parasite quand l’isolant degrille devient très mince (de l’ordre du<strong>nano</strong>mètre). Il est par contre mis à profitdans de nouvelles architectures, telsles transistors à barrière tunnel Schottkyou à base de <strong>nano</strong>tubes de carbone.

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