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LE CEA OUVRE LA VOIE AUX NEMS

Michel Le Toullec

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- En mettant au point un nano-interrupteur et une loi permettant de dimensionner et de concevoir des nanosystèmes, les chercheurs du CEA-Saclay effectuent une avancée majeure vers les nanosystèmes électromécaniques.

Il y avait les microsystèmes électromécaniques : Mems, selon l'acronyme anglo-saxon. Voici les Nems ; avec N pour "nano". Coup sur coup, une équipe de chercheurs du CEA a en effet franchi deux étapes majeures dans le domaine émergent des nanosystèmes électromécaniques à base de nanotubes de carbone. L'équipe du Laboratoire d'électronique moléculaire (à Saclay, Essonne) a, d'une part, conçu un procédé de fabrication de nano-interrupteurs. D'autre part, ces chercheurs ont développé une loi théorique, vérifiée expérimentalement, permettant de prévoir et de caractériser la déformation d'un nanotube soumis à un champ électrique.

Les nanotubes présentent un fort potentiel pour la réalisation de Nems en raison de leur combinaison exceptionnelle de propriétés. D'abord, leur géométrie peut être ajustée : leur longueur peut aller de quelques nanomètres à plusieurs centimètres, pour un diamètre compris entre moins d'un nanomètre et plusieurs dizaines de nanomètres. En termes de propriétés mécaniques, leur module d'Young atteint 1 TPa. Leur conductivité thermique va jusqu'à 6 000 W/km, alors que le cuivre plafonne à 400 W/km. À noter aussi que les nanotubes de carbone sont chimiquement inertes.

Déflexion électrostatique des nanotubes

Mais la caractéristique majeure des nanotubes de carbone (NTC) pour la réalisation de Nems est leur comportement électrique. Selon leur structure, les tubes monoparois peuvent être métalliques ou semi-conducteurs. Ces derniers présentent une largeur de bande d'énergie interdite qui ne dépend que de leur diamètre, un paramètre qu'on sait bien maîtriser. Et ils peuvent supporter de très fortes densités de courant, supérieures à 109 A/cm2, 1 000 fois supérieures à celle du cuivre. « Les nanotubes multiparois, constitués de tubes monoparois concentriques, sont quant à eux d'excellents conducteurs », précise Vincent Derycke, chercheur au Laboratoire d'électronique moléculaire du CEA.

Les chercheurs du CEA ont publié, en novembre 2005, dans Applied Physics Letters, une technique de fabrication d'un interrupteur à l'échelle nanométrique basé sur un nanotube de carbone. Ce dispositif est constitué d'un nanotube multiparois suspendu au-dessus d'une tranchée dans laquelle se trouve une électrode métallique. Lorsqu'on applique une polarisation électrique entre le nanotube de carbone et l'électrode située en dessous, le NTC se déforme par déflexion électrostatique et finit par entrer en contact avec l'électrode, ce qui crée un court-circuit.

L'intérêt du procédé du CEA est d'autant plus important que les applications des Nems à base de nanotubes de carbone suspendus déformés électrostatiquement sont multiples. Depuis les capteurs de forces ultrafaibles aux oscillateurs ou aux commutateurs de signaux hautes fréquences pour les télécommunications. Des applications dans le domaine des mémoires Ram non volatiles sont aussi envisagées, comme alternatives aux actuelles mémoires (DRam, SRam, mémoires Flash), notamment dans les équipements portables.

Par rapport aux travaux réalisés par d'autres équipes dans le monde, l'avantage du procédé du CEA est de contrôler le positionnement des nanotubes. La technique compte plusieurs étapes de nanofabrication (voir schéma). D'abord, un substrat en silice est gravé par la technique RIE (gravure par ions réactifs) pour créer une tranchée. Celle-ci est partiellement remplie de métal (de l'or) pour constituer une électrode. Les chercheurs parviennent à contrôler la distance entre l'électrode et la surface de la puce : typiquement, entre 1 et 10 nanomètres.

Ensuite, la surface de la puce en silice est marquée par des pistes à base de silane aminé, perpendiculairement à la tranchée, afin de permettre le positionnement exact du nanotube de carbone. Le NTC est mis en contact avec deux broches de raccordement en or. Enfin, le métal de la tranchée est recouvert d'une monocouche auto-assemblée de décanethiol. L'un des atouts majeurs de la technologie du CEA est d'éviter l'étape de réalignement nécessaire lorsqu'on travaille avec des nanotubes de carbone dispersés au hasard. « Nous y parvenons grâce au positionnement sélectif chimiquement dirigé des nanotubes sur les molécules de silane », assure Vincent Derycke.

Ce procédé constitue un pas supplémentaire vers la réalisation de nanocomposants aux propriétés définies. Par exemple, la couche auto-assemblée de décanethiol a une fonction particulière. Elle évite au nanotube de carbone de rester collée à l'électrode métallique, en réduisant notamment l'effet des forces de Van der Waals. Ce revêtement organique permet donc d'augmenter la durée de vie du nano-interrupteur ainsi que sa fiabilité.

Des applications à hautes fréquences

La deuxième publication des chercheurs du Laboratoire d'électronique moléculaire du CEA porte, cette fois, sur une méthode permettant de tester les propriétés électromécaniques des nanotubes de carbone multiparois. Une loi d'échelle a ainsi été décrite dans Physical Review Letters en octobre dernier, à la suite de travaux réalisés avec l'Institut d'électronique fondamentale (à Orsay). « Cette loi relie la déformation du nanotube aux paramètres géométriques (diamètre, longueur suspendue, hauteur de suspension), électrostatiques (tension appliquée, forme du potentiel) et physiques (module d'Young) », reprend Vincent Derycke. Selon ses concepteurs, elle permettrait de dimensionner et de concevoir tout Nems à base de nanotubes suspendus actionnés électrostatiquement. Pour y parvenir, les chercheurs ont observé par microscopie à force atomique un nanotube de carbone suspendu au-dessus d'une électrode. Ils ont ainsi mesuré la déflexion maximale de différents nanotubes en fonction de la tension appliquée.

Enfin, les chercheurs du Laboratoire d'électronique moléculaire s'intéressent actuellement au comportement des nanotubes à hautes fréquences, de l'ordre du gigahertz. Les applications visées sont de futurs commutateurs ou oscillateurs nano-électromécaniques. L'un des buts de ces travaux est de concevoir des Nems capables de détecter un déplacement à la limite quantique. Ces recherches permettraient d'évaluer leur utilisation dans des nanodispositifs pour le traitement quantique de l'information. Dans ce cadre, les chercheurs vont concevoir un résonateur à base de nanotubes suspendus fabriqué par la technique développée au laboratoire.

l'impact

Les Nems à base de nanotubes de carbone conviennent : - Aux capteurs de forces ultrafaibles ; - Aux oscillateurs et aux commutateurs fonctionnant dans le régime du gigahertz ; - Aux mémoires Ram non volatiles, comme alternatives aux actuelles mémoires (DRam, SRam, mémoires Flash).

PROGRAMME EUROPÉENINTÉGRER DE L'ÉLECTRONIQUE AUX NEMS

- NanoRF : c'est le nom d'un programme européen qui vient tout juste de débuter en janvier 2006. Son but est d'intégrer sur une même puce un Nems à base de nanotubes de carbone et un système électronique Cmos de contrôle et de commande. - Coordonné par l'École polytechnique fédérale de Lausanne, ce projet implique plusieurs laboratoires du CEA, le Laas (CNRS), des universitaires suédois et la société Cambridge Semiconductors. NanoRF vise des applications dans la zone de 1 à 5 GHz.

UN NANOTUBE... UN INTERRUPTEUR

Le contrôle de la déformation d'un nanotube de carbone multiparois, soumis à un champs électrique, a conduit les chercheurs du CEA à réaliser un nano-interrupteur.

- Image par microscopie à force atomique d'un nano-interrupteur fabriqué selon le procédé du Laboratoire d'électronique moléculaire du CEA. Un nanotube de carbone de 8 nm de diamètre et 1,6 µm de long, connecté à deux éléments métalliques, est suspendu au-dessus d'une électrode en or (perpendiculaire au nanotube).

- Les nanotubes de carbone multiparois, constitués de plusieurs tubes concentriques, sont d'excellents conducteurs électriques. C'est le type de structure utilisé par les chercheurs du CEA pour la fabrication du nano-interrupteur.

1. Une tranchée, gravée dans la silice, est partiellement remplie d'or.

2. Des pistes, constituées d'une monocouche de silane aminé, sont réalisées perpendiculairement à la tranchée.

3. Ces pistes servent de sites privilégiés pour le dépôt sélectif de nanotubes multiparois.

4. Les nanotubes sont connectés par des électrodes métalliques. Une monocouche de décanethiol est assemblée sur l'électrode inférieure.

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