Le document traite des nanotechnologies, en soulignant leur importance pour la prochaine révolution industrielle et leur potentiel d'innovation pour les entreprises. Il décrit les techniques de fabrication des nanocomposants, l'évolution de la microélectronique, et les avantages de l'auto-réplication des machines moléculaires. Enfin, il couvre l'état actuel des recherches et les outils disponibles pour les PME innovantes dans ce domaine.

1. 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 [email_address]

2. INTRODUCTION

3. 10 mn

4. 5mn40

6. 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 une balle de tennis qu’entre une balle de tennis et la terre

7. 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 vivant et 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,...

8. Aujourd ’hui, on fabrique des micro-processeurs de 1 cm 2 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 μm 2 et la finesse des motifs réalisés par photolithographie atteint 50 nm. L ’histoire récente de la microélectronique nous amène au seuil des nanosciences

9. La loi de Moore : tous les 18 mois, le nombre des transistors sur la surface des puces électroniques double et la taille de leur grille diminue par un facteur 1,3

10. 1 cm (le 1 ier en 14/12/47) 20 nm / en 2005 / INFINEON 1 μ m / années 2000 En 60 ans, diminution de la taille d’un facteur 100 000

11. Le coût de fabrication des transistors sur une puce a baissé de façon spectaculaire : en 1973, le prix d’un million de transistors intégrés équivalait à celui d’une maison, en 2005, il était celui d ’un post-it. Evolution du coût de fabrication d ’un million de transistors en 30 ans

12. 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

13. Deux définitions possibles

14. Composant constitué d’un milliard de nanoperforations le père des nanotechnologies

15. 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 : prix Nobel de physique)

16. 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 " OBJECTIF ULTIME DE LA NANOTECHOLOGIE

17. 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)

18. 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 "

19. EXERCICE 10 18 = un trillion

20. Exemple : Prenons un diamant d’un carat : il contient dix milliards de trillion (10 18 ) 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 par molécule) en 15 mn et que chaque nouveau robot reproduise le processus, au bout de 14 h, nous aurons alors 1 million de milliards de robots !, ensemble ils construiront alors le diamant en dix secondes !

21. Auto-réplication à l’image des organismes vivants

22. 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 permettant l ’observation et la manipulation d'atomes à l'échelle individuelle : invention du STM (Scanning tunneling Microscope ou Microscope à effet tunnel) (Binnig et Rohrer - Nobel 86 - IBM Zurich)

23. Les nouvelles microscopies à l’origine des nanotechnologies STM, AFM, SNOM,…. STM : Scanning Tunneling Microscope / Microscope à effet tunnel électronique AFM : Atomic Force Microscope / Microscope à forces atomiques SNOM : Scanning Near Field Optical Microscope / Microscope à balayage en champ proche optique

24. Possibilité d’imager des surfaces à l’échelle atomique : Principe du microscope à effet tunnel électronique : STM Atomes de silicium

26. Arrangement d’atomes de fer sur substrat de cuivre Manipulation d’atomes par STM

27. Microscopie à forces atomiques Images : - de sondes AFM (à gauche) - d’hélice d’ADN - bits d’un DVD

28. Topographie Différents types de sondes pour microscopie à forces atomiques et pour microscopie optique à sonde locale

29. Microscope optique en champ proche appliqué à la nanospectroscopie Raman

30. Les techniques de fabrication de nanoobjets / nanostructures Technologie « top down » = descendante Technologie « bottom up » = ascendante

31. 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?