La Nanotechnologie (la nanoscience les différents aspects ...

La Nanotechnologie (la nanoscience), les différents aspects liés à cette révolution technologique

Pascal Vincent, MCF Université Claude Bernard Lyon 1

[email protected] doc : http://ilm-perso.univ-lyon1.fr/~pvincent/

Chap. 1 : des mythes à la réalité

Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (1)

Polytech-Lyon 5ème année Matériaux / Nanotechnologie

mailto:[email protected]�

Objectif, sommaire et méthodologie Ordre de grandeur : vivant vs artificiel


nanotechnologie microtechnologie macrotechnologie

Objectif, sommaire et méthodologie L’avènement de la nanotechnologie


1959: Une vision de Richard Feynman: “Aucun principe de la physique, à ma connaissance, n’interdit la possibilité de manipuler des objets atome par atome. Cette manipulation à l’échelle atomique ne viole aucune loi et est donc, en principe, réalisable; en pratique cela n’a pas été fait, car nous ne disposons pas d’outils à cette échelle ….. “

1981: STM, un outil pour l’observation d’objets atomiques par H. Rohrer et G. Binning

Phys. Rev. Lett., 5 Juillet 82 après de grosses difficultés pour publier (Physica 81 puis APL 82)



1986: Mise au point de l’Atomic Force Microscope par Binning, Quate etGerber.

L’AFM est actuellement un des outils les plus utilisés pour imager, mesurer et manipuler la matière à la nanoéchelle



Le vrai départ des « Nanosciences » se fait aux alentours de 1990. Les chercheurs développant les microscopes à champ proches (STM, AFM, SNOM, MFM) se tournent de plus en plus vers la modification des surfaces en jouant sur les interactions sonde/surface.

la nano-écriture sérielle Le début d’un effort mondial



1990 : D. Eigler réussi à écrire les initiales d’IBM avec des atomes de Xénon en bougeant les atomes à l’aide d’une pointe STM

1993 : Assemblage de 48 atomes de fer pour la réalisation d’un enclos atomique (atomic corral)



A Boy And His Atom: The World's Smallest Movie (molécules de monoxyde carbone sur Cu, quatre chercheurs deux semaines de travail à raison de 18 heures par jour.)



• Les biologistes peuvent faire remarquer qu’ils étudient l’AND et l’ARN depuis plus longtemps (et l’utilisent pour transformer notre monde)

• Et les chimistes qu’ils synthétisent des molécules depuis plus d’un siècle !!!!

Notons cependant que :

Objectif, sommaire et méthodologie Historique


Evidemment il existe une « préhistoire » importante et pertinente aux manipulations STM et aux travaux similaires que l’on peut incorporer dans les « Nanosciences » Chronologie brève et incomplète : Préhistoire 1857 (on pourrait trouver beaucoup d’autres exemples historiques) : Premier NanoOr. Michael Faraday fabrique de l’or colloïdale contenant de très petites particules d’or (maintenant nanoparticules) 1931 Knoll et Ruska, Invention du microscope électronique transmission. 1959 Un nouveau domaine de Physique Richard Feynman donne son fameux discours ‘Theres plenty of room at the bottom’. 1974 Première utilisation du terme « Nanotechnologie » par le Prof. Norio Taniguchi, Tokyo université 1981 Invention du microscope à effet tunnel (Nobel prize 1986) 1985 Découverte des fullérènes C60 or buckyball 1986 Eric Drexler publie un livre très influent « Engine of creation : the coming erea of nanotechnology ». Très futuriste 1986 Invention de l’AFM ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 1990 Manipulation par STM i.e. Eigler, Mamin, etc 1990-2013 Croissance explosive des Nanosciences et Nanotechnologies qui se répandent dans de nombreux domaines. 1991 Utilisation de l’AFM sur des cellules vivantes (Haberle, Horbel, Binning) 1991 Découverte des Nanotubes de carbone Sumio Ijima (Pas de prix Nobel) Nanocylindres de carbone larges de quelques nanomètre

Objectif, sommaire et méthodologie Historique


2002 Réalisation du premier transistor à base de nanotubes de carbone transportant plus de courant en moins d’espace. 2004 Découverte du graphène (Novoselov, Geim) (Prix Nobel) couche atomique de graphite en tant qu’objet individuel.

Objectif, sommaire et méthodologie Définitions vagues


La définition des Nanosciences/ Nanotechnologies diffère suivant les personnes.

Une définition simple et vague des nanosciences (nanotechnologies) : L’ « étude» par des « nano-outils » de « nano-objets » individuels qui ont des propriétés spécifiques dues à leurs dimensions Ces « nano-objets » (ou « nano-systèmes ») dépendent de qui donne la définition. . Un objet dont les trois dimensions ~ 1 nm (molécules, petits agrégats) . Au moins deux dimensions plus petites que 100 nm (nanotubes, nanofils) . Au moins une dimension plus petite que 100 nm (graphène, films minces) « Etude » signifie expérimentale ou théorique fabrication, observation, modification, positionnement, connexion, intégration, modélisation ou utilisation de « nano-objects ». Les seuls mots communs à toutes définitions sont « nano-objets » connectés à un mot attaché à « étude ».

Objectif, sommaire et méthodologie Définitions


Pourquoi les nanosciences croissent elles si vite et sont si englobantes et pourquoi la définition est elle si vague et variable. 1 Le concept de manipuler des objets individuellement, par opposition à un processus volumique sur tout un ensemble est une idée puissante qui intuitivement et en pratique à permis de créer de nouvelles et excitantes fonctionnalités. 2 L’enthousiasme résultant à attiré de nombreuses recherches et chercheurs d’autres sous thématiques proches qui ont pu bénéficier des nouvelles techniques de réalisation et manipulation. Mais cela à élargit les définitions précédentes des nanotechnologies. 3 Le succès médiatique des nanosciences et nanotechnologies, c’est-à-dire la promesse d’une révolution industrielle à venir, à fait que de nombreux chercheurs ont trouvé un avantage ou une nécessité à déclarer que leurs recherches concernaient les nanotechnologies. Corollaire : les propagandistes des nanosciences ont déclaré certain domaines important et bien établis comme « nano » juste à cause de la miniaturisation en cours (i.e. électronique, magnétisme, ..) qui était déjà bien engagé dans le domaine nano.

Objectif, sommaire et méthodologie Une définition plus précise


Les nanosciences et les nanotechnologies peuvent être définies comme étant les sciences et les technologies des systèmes nanoscopiques. Elles se réfèrent à une même échelle, le nanomètre, soit le milliardième de mètre.

Les nanotechnologies, regroupent les instruments, les techniques de fabrication et les applications dérivées exploitant les phénomènes spécifiques liées à cette échelle nanométrique. Le vaste champ des nanosciences et nanotechnologies ("nanos") cherche donc à comprendre, maîtriser, et utiliser ces nouveaux phénomènes et en envisage les applications.

Aujourd'hui, les nanosciences regroupent les recherches visant à comprendre et mettre en œuvre les phénomènes, lois physiques et propriétés apparaissant dans les objets, dispositifs et systèmes dont au moins une dimension est nanométrique. Elles constituent une base de connaissances sur les phénomènes nouveaux et spécifiques liés à cette échelle.

Objectif, sommaire et méthodologie Les star des nanos : les fullérènes


Les Nanotechnologies ont aussi percés grâce à un certain nombre d’objets ”stars” qui les ont popularisés auprès du grand public, des décideurs et des journalistes ....



C60 ”La plus grande molécule symétrique” • ”Découvert” en 1985 par Curl, Krotto et Smalley ( prix Nobel de chimie, 1996)

Epcot center, Paris

~1 nm

Architecte: R. Buckminster Fuller

• C60 ou buckminsterfullérène Footballène

• Les molécules de la même familles (C20, C70,C74, C84, ...) sont appelés fullérènes



Peapod (petits pois)

Organic Photovoltaics, Polymer Electronics, Antioxidants & Biopharmaceuticals, Polymer Additives, Catalysts, …

Le plus petit fullerène C20

Endofullerènes : molécule C60 contenant un atome

Applications envisagées

Objectif, sommaire et méthodologie Les star des nanos : les nanotubes de carbone


Nanotubes de carbone: enroulement d’une ou plusieurs monocouches atomiques de graphite.

Nanotube monoparoi :

La manière de plier le feuillet détermine sa chiralité . Une propriété originale est que la chiralité détermine si le nanotube est semi-conducteur ou métallique.

Diamètre de l’ordre du nanomètre

Un beau nanotube (sans défauts) monoparoi a un module de Young de l’ordre de 1 Tpa (très solide)



Nanotube multiparois : enroulement de plusieurs monocouches atomiques de graphite.

Comparaison d’un monoparoi et de multiparois

Diamètre de 1 à 100 nm

La recherche a littéralement explosé après les observations par Ijima (1991).

Les longueurs de ces nanotubes peuvent aller de 10 nm au cm !!!



Ascenseur spatial (est ce vraiment sérieux)

Beaucoup de sortes de nanotubes avec des qualités (et donc des propriétés) très différentes

Des centaines d’applications potentielles ont été identifiées et sont actuellement étudiées que ce soit dans le domaine des matériaux, de l’électromagnétisme, des circuits électriques, de la nanomécanique, de l’électroacoustique et de la chimie.

Téléviseur à nanotube de carbone (technologie abandonnée)



A noter : jusqu’à présent on ne savait pas faire croitre des nanotubes monoparois ayant tous la même chiralité. Il fallait les purifier (par exemple trier les semi-conducteurs et les métalliques par voie chimique)

En Aout 2014 est sorti un Nature montrant la première sélectivité des nanotubes produits

Le principe est une molécule qui chauffé forme une sorte de petit nanotube de chiralité donné et à partir duquel pousse le nanotube.

Objectif, sommaire et méthodologie Les star des nanos : le graphène


Plastique recouvert avec une couche transparente et conductrice de graphène.

Applications: Electronique hautes fréquences, électronique flexible, écrans tactiles, détection ultime de molécules, super capacité, …. Nouveau énorme projet européen : Flagship graphene

Image au microscope optique



La méthode du scotch

Objectif, sommaire et méthodologie Les star des nanos : les nanofils semi-conducteurs ou métalliques


Nanofils de Cobalt

Nanofils de Silicium Ni, Au, Co, etc. Sources à emission de champ Etudes magnétiques Antennes photoniques Nano-contacts electriques ou transport

Voies top-down et Bottom-up. Transistors, cellules solaires, lasers, composants nanoelectromécaniques, composants, capteurs, composants quantiques nanométriques?...

Nanofils métalliques Nanofils Semiconducteurs

Objectif, sommaire et méthodologie Les star des nanos : les nanoparticules


Nanoparticules d’or Particule de silice mésopeureuse

Techniques d’assemblages basées sur l’ADN

Les « Nanoparticules » peuvent être formées à partir de nombreux matériaux et être combinés à d’autres nano-objets pour réaliser une multitude de nano-systèmes avec des fonctions améliorés. Un des plus grand sujets en nanoscience/nanotechnologie.

Nanoparticule de Titane dopée à l’oxyde de Cérium

Tumeur de souris marquée par des particules fluorescentes



Spectre d’applications envisagées pour les nanoparticules.



Applications des nanoparticules- voir par exemple http://www.understandingnano.com/nanoparticles.html Nanoparticules dans le domaine de la santé: • Boites quantiques qui identifient la localisation de cellules cancéreuses dans le corps. • Nanoparticules qui délivre les produits de chimiothérapie directement dans les cellules cancéreuses. • Particules d’or qui permettent de chauffer sélectivement les tumeurs cancéreuses par lasers infrarouge. Applications des nanoparticules pour les matériaux • Une peau synthétique, qui peut être utilisé dans les prothèses, a démontré des capacités d’auto-réparation et de capteur de pression. Ce matériau est un composite de particules de Nickel et d’un polymère. Si le matériau est coupé il se ressoude tout seul en environ 30 minutes. De même la résistance du matériau change avec la pression donnant un information comme le touché . Application de nanoparticules dans l’environnement • Des particules d’oxyde de fer ont été utilisés pour nettoyer l’Arsenic de puits d’eau. • Des particules de fer ont été utilisés pour nettoyer la pollution au tetrachlorométhane dans de l’eau souterraine. …. ….

http://www.understandingnano.com/nanoparticles.html�

Objectif, sommaire et méthodologie Les star des nanos : les nanocomposites


Objectif, sommaire et méthodologie Les star des nanos : les composants nano issus de l’électronique


Transistors de taille nanométrique.

Nano Electro Mechanical Systems (NEMS)

Objectif, sommaire et méthodologie Voies top-down et bottom-up


Pour la réalisation des composants nanométriques on distingue grosso modo 2 approches :

• la voie ascendante (bottom-up)

• la voie descendante (top-down)



La structure en ADN à gauche s'assemblera d'elle-même pour former la structure à gauche, visionnée par microscope à force atomique.

La voie ascendante, bottom- up, consiste à assembler des composants élémentaires (atomes, molécules, agrégats) pour fabriquer des structures plus complexes. C’est l’une des voies d’avenir à plus ou moins long terme pour dépasser les limitations de la "la loi de Moore" , dans le domaine de la microélectronique. Mais c'est une voie encore au stade expérimental, la voie descendante étant la seule à avoir déjà fait ses preuves dans l'industrie.

Approche ascendante (bottom-up)



La voie descendante, top- down, consiste à miniaturiser des objets déjà existants de taille micro ou macrométrique pour se rapprocher des dimensions nanométriques. Dans la pratique cette voie utilise principalement l’amélioration des procédés de gravure de la microélectronique qui permettent de réaliser des structures de taille inférieure à quelques dizaines de nanomètres. Cette voie est utilisée depuis plus de 40 ans dans le domaine de la microélectronique. Elle a permis de mettre au point le circuit intégré sur puce.

Approche descendante (top-down)



Pour résumer ………..

Objectif, sommaire et méthodologie Les star des nanos : les composants nano issus de l’électronique


Objectif, sommaire et méthodologie Lithographie top-down : contrôle précis des motifs


Photo Lithographie: méthode parallèle. Rapide et bon marché. Résolution jusqu’à 32 nm en production.

Lithographie électronique : méthode série. Lent mais flexible et très bonne résolution. Réalisation de masques et de composants individuels. Résolution mieux que 10 nm

Objectif, sommaire et méthodologie Bottom-up : Auto-assemblage


Processus dans lequel un système désordonné de composants préexistants forme une structure organisée ou un réseau suite aux interactions locales des composants eux-mêmes , sans directives extérieures.

Une fois initiée le processus, l’auto-assemblage produit des milliard de nano-objets simultanément. Problème récurent : l’ordre à grande échelle.

Réseaux auto-organisés. Réseaux formés de copolymères à blocs.

Copolymère à blocs :

Séparation de phases

Objectif, sommaire et méthodologie Auto-assemblage


Left and middle: Electron-beam lithography is used to produce post features, shown as bright dots, which direct the self-assembly of a double layer of BCP cylinders to form a mesh-like structure. The untemplated region (green outline) shows a random pattern. Right: A single layer of BCP cylinders is templated to produce a four-way junction.

Auto-assemblage assisté par lithographie électronique

Auto-assemblage limité par des parois


Objectif, sommaire et méthodologie Ecriture par sonde locale


Beaucoup de technique. Recherches typiques des années 90 et débuts 2000.

Le projet millipede d’IBM : écriture locale massive et parallèle

Anodisation local du Si

AFM tip

Heterostructure quantique GaAlAs

Objectif, sommaire et méthodologie Fabrication des nano-objects : top-down vs Bottom up


• Beaucoup, beaucoup d’approches ont été explorés, que ce soit physique ou chimique, individuels ou thermodynamiques

• Beaucoup de recherches fondamentales combinent les approches bottom-up et top-down pour fabriquer des échantillons originaux.

Objectif, sommaire et méthodologie Pourquoi aller au nano


Phénomènes aux frontières entre effets classiques et quantiques.

(1) Propriétés spéciales lors de la réduction

de taille au nanomètre : effets de surfaces, effets quantiques, combinaison de propriétés (par exemple composites), grand choix d’architectures, …

(2) Miniaturisation

Objectif, sommaire et méthodologie Confinement quantique : un effet de taille direct


Atome agrégat

macroscopique

Objectif, sommaire et méthodologie Confinement quantique : un effet de taille direct


Objectif, sommaire et méthodologie Exemple de fabrication de masse de nano-objets


Synthèse standard de nanotubes de carbone multi-parois alignés

PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) Catalyst : Nickel Reduction : H2

(control flow and et pressure)

Growth: NH3, C2H2

(control flow and pressure)

Plasma : 800 V, ~ 24 mA

MWNT orientés sur le substrat par le plasma.



Nanotubes localisés et orientés verticalement

obtenus par PECVD sur des substrats

nanolithographiés

C. Journet, S.T Purcell,

Possibilité de combiner top-down et bottom-up: PECVD sur motifs e-beam

Objectif, sommaire et méthodologie Production de masse de nanotubes


Arkema, l’un des leaders mondiaux dans le domaine des matériaux nanostructurés, annonce la construction d’une unité pilote de production de nanotubes de carbone (NTC) sur son site de Mont (France, Pyrénées-Atlantiques). Cette unité d’une capacité de 400 tonnes/an, dont le démarrage est prévu début 2011, s’appuiera sur un procédé novateur.

Bayer, qui comptait depuis quelques années parmi les poids lourds de la fabrication de nanotubes de carbone, a décidé d'arrêter cette activité pour se recentrer sur ses produits phares. Pour Arkema, concurrent encore engagé dans la course à l'industrialisation, le marché pour les nanotubes de carbone pourrait effectivement s'avérer moins important que prévu.

2009

2013

Des débouchés moins porteurs qu’attendu !!!

Extraits de la presse économique :

Objectif, sommaire et méthodologie Production de masse de nanotubes


Des débouchés moins porteurs qu’attendu !!!

Doit-on s'attendre à moins d'applications que prévu pour les NTC ? Certaines applications auxquelles on croyait beaucoup se révèlent finalement décevantes. C’est le cas par exemple des matériaux composites de plus en plus utilisés dans l’aéronautique : on pensait pouvoir les protéger de la foudre en y ajoutant des NTC, qui pourraient conduire l’électricité à travers le matériau. En fait, les propriétés conductrices du matériau modifié ne s’avèrent pas suffisantes. Idem pour le renforcement mécanique des résines époxy, pour lesquelles d’autres additifs moins onéreux sont disponibles. Les études qui prévoyaient un marché de deux milliards de dollars pour les NTC à l’horizon 2020 ont sans doute été trop optimistes. Nous n’avons maintenant plus que quatre principaux concurrents dans le monde : Nanocyl en Europe, Hyperion aux Etats-Unis, Showa Denko avec un produit différent au Japon et CNano en Chine.

Nous croyons par exemple en l'utilisation de NTC en faibles quantités en tant qu'additifs pour apporter des propriétés de renfort mécanique et de résistance aux UV notamment dans les polyéthylènes, les polypropylènes ou les polyamides. Dans le domaine des composites, nous avons choisi une autre approche qui consiste à modifier le renfort, tissus de verre ou de carbone, par un coating de NTC,



Mais cela ne fait qu’ effleurer la surface des techniques de nanofabrication

Objectif, sommaire et méthodologie Exemples de composant : le transistor à nanotube


• 1997 : First transistor with one nanotube, C. Dekker

• Gros efforts actuellement sur l’électronique flexible

Objectif, sommaire et méthodologie Exemples de composant : la nanomécanique


repos fondamental harmoniques

Nanofils SiC

La Nanoguitare : Nanomécanique à partir de nano-objets

Objectif, sommaire et méthodologie Exemples de composant : la nanobalance


Résolution actuelle au niveau d’un atome avec un nanotube de carbone (Zettl, Bachtold)

Objectif, sommaire et méthodologie Exemples de composant : les nanomoteurs


Objectif, sommaire et méthodologie Exemples de composant : les nano-interrupteurs


OFF ON

Objectif, sommaire et méthodologie Exemples de composant : la nanomédecine


• Nano robot chirurgien

Les « Lab on chip » ou laboratoires sur puces

Objectif, sommaire et méthodologie Marché


Objectif, sommaire et méthodologie Actuellement la mode « nano » est en déclin


Plan d’action de l’ANR (Agence Nationale de la recherche) 2015:

Objectif, sommaire et méthodologie Actuellement la mode « nano » est en déclin


Cependant une autre manière de voir est de remarquer que les nanosciences et les nanotechnologies ont été pleinement absorbés par quantité de domaines et qu’elles sont désormais partout

Il est désormais naturel de penser « nano » pour les scientifiques …. Et peut être pour les ingénieurs et les industriels

Objectif, sommaire et méthodologie Et pourtant les nanosciences sont désormais partout


Physique Chimie

Biologie (et médecine)

Nanoscience/ Nanotechnologie

Nano-nano Nanoelectronics Nanomagnetism Nanophotonics Nanomedicine Nanomaterials Nanolithography Nanocatalysis Nanomechanics Nanotubes Nanowires Nanoparticles Etc.

Les mots-clés Miniaturisation Réduction d’échelle Auto-organisation Microscopes à sondes locales Confinement quantique Top down / Bottom up Loi de Moore

Les nanotechnologies entrainent le recouvrement de plusieurs domaines de

recherches

Objectif, sommaire et méthodologie Conclusions


La conclusion du jour est que les nanosciences / nanotechnologies sont un très vaste

domaine pluridisciplinaire et désormais d’une importance sociétale

La rencontre des voies ascendantes et descendantes de toutes les domaines a été extrêmement fructueuse pour créer une nouvelle science et une nouvelle technologie.

Objectif, sommaire et méthodologie La crainte des « nanos »


Les nanotechnologies suscitent également des craintes plus ou moins raisonnables Ici le bandeau d’un site web de l’association « Pièces et main

d’œuvre » clairement anti technologique

En bref : nous considérons que la technologie - non pas ses "dérives"- est le fait majeur du capitalisme contemporain, de l’économie planétaire unifiée. La technologie est la continuation de la guerre, c’est-à-dire de la politique, par d’autres moyens. Si nous avons semé quelques doutes, par exemples sur les nanotechnologies et les technologies convergentes, sur la biométrie, les RFID et les neurotechnologies, sur le téléphone portable et nombre de sujets connexes, sur la destruction du territoire, la cannibalisation de "l’écosystème" par le système technicien, c’est à force d’enquêtes, de harcèlement textuel, d’interventions lors d’occasions officielles.

La Nanotechnologie (la nanoscience les différents aspects ...

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