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Posté par Michel le Vendredi 25/06/2010 à 00:00
Des nanofils pour l'(opto)électronique du futur
Tout a commencé par une étude de faisabilité sur la réalisation de couches minces fluorescentes pour des applications optiques de sécurité. Qui a en fait conduit à un projet de recherche européenne pour le développement de détecteurs de gaz d'un type nouveau. Et finalement des chercheurs de l'Empa (Laboratoire fédéral suisse d'essai des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et de recherche) sont parvenus entre temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) à synthétiser à partir de ces matériaux des nanofils organiques complexes et à les raccorder électriquement entre eux, ce qui constitue un premier pas vers la réalisation de composants pour l'électronique du futur.


Micrographie obtenue par microscopie électronique en transmission:
plusieurs nanofils de phthalocyanine de cobalt qui se sont développés
sur un fil de phthalocyanine de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le fer pur...) revêtu de particules d'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.).

Les semi-conducteurs organiques sont des candidats prometteurs pour la production de micro- et de nanocomposants électroniques flexibles de grande surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) et bon marché tels que des transistors, des diodes ou des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une...). Cela à condition toutefois que l'on parvienne à raccorder électriquement entre eux ces composants pour créer ainsi des circuits. Des chercheurs de l'Empa ont maintenant développé un nouveau procédé qui permet de réaliser des circuits simples en nanofils organiques.

A l'origine, le projet européen "PHODYE"

Une fois retourné à Valence après un séjour de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques....) de trois ans à l'Empa, le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du grec, qui connaît la...) espagnol Angel Barranco a lancé le projet européen "PHODYE" - entre autres aussi avec ses anciens collègues de l'Empa. Ce projet a pour but de développer des détecteurs optiques de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière...) ultrasensibles à partir de couches minces fluorescentes dont la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) et la fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière froide »). Elle peut...) changent au contact de certaines molécules de gaz. Des capteurs qui pourraient servir par exemple pour surveiller les émissions polluantes du trafic routier (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) ou encore avertir à temps le personnel des laboratoires ou les mineurs de la présence de gaz toxiques.

"Ce que nous avions tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord imaginé, c'était une sorte que clé électronique pour des applications dans le domaine de la sécurité" explique Pierangelo Gröning. Et pour cela on avait besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins...) de couches minces transparentes fortement fluorescentes. C'est ce qui a conduit Gröning et Barrenco à développer un procédé de déposition plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes...) permettant de déposer en hautes concentrations sur des couches de SiO2 ou de TiO2 des molécules de colorants fluorescentes telles que des métallo-porphyrines, des pérylènes et des phthalocyanines sans les décomposer.

Rapidement, ils se sont rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant...) compte que lorsque certaines molécules de gaz venaient se lier aux particules de colorant (Un colorant est une substance utilisée pour apporter une couleur à un objet à teinter.), la fluorescence des colorants changeait de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) et qu'ainsi la couche mince (Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé « substrat ». Le but de la couche mince est...) prenait une autre teinte. En utilisant des colorants différents, il est alors aussi possible de détecter déjà en très faibles concentrations différents gaz dangereux pour l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère est appelé un garçon,...).

Une diversité d'utilisation étonnante

Pour de nombreuses applications, les capteurs doivent avoir un temps de réponse aussi court que possible ? ce qui n'est guère réalisable avec des couches de colorants compactes déposées par plasma. Il en irait autrement des couches présentant une porosité très élevée ? par exemple ayant la forme d'un "velours de moquette (La moquette ou tapis mur à mur (qc) était à l'origine une etoffe à trame et chaîne en fil mais veloutée de laine. En 1650 on la nommait "moucade" mot d'origine inconnue qui a évolué en moquette. C'est donc une matière...)" formé de nanofils et dont les chercheurs espèrent encore d'autres avantages. De telles couches permettent d'augmenter la surface d'adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers processus plus ou...) des molécules des gaz à détecter et raccourcissent encore leurs voies de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de « vaporisation »...), ce qui diminue le temps de réaction des capteurs. La physicienne Ana Boras a alors développé pour cela un nouveau procédé de déposition sous vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) pour la synthèse de nanofils organiques.

Entre temps, les chercheurs de l'Empa sont même parvenus à produire des nanofils aux propriétés des plus diverses selon les molécules de départ et les conditions d'essai. Par exemple, des nanofils de molécules de métallo-phthalocyanines qui présentent un diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer...) de 10 à 50 nanomètres seulement et une longueur pouvant atteindre jusqu'à 100 micromètres. Ce que ce nouveau procédé présente de particulier et d'inattendu c'est que, avec un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) précis de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) du substrat et de son traitement préalable ainsi que du flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les...) de molécules, on obtient des nanofils possédant sur toute leur longueur une structure monocristalline d'une perfection jamais atteinte jusqu'ici.


Micrographie en microscopie électronique à balayage: nanolamelles et nanofils
d'octaéthyl-porphyrine de palladium qui se sont développés
sur des nanofils de pérylène revêtus d'argent.

Après les premiers examens au microscope électronique, il était clair pour Gröning que ce nouveau procédé ne fournissait pas seulement des nanofils utilisables pour les détecteurs de gaz envisagés mais aussi pour des circuits électroniques de nanofils pour des applications (opto)électroniques telles que des piles solaires, des transistors ou des diodes. Cela parce que ces divers types de nanofils peuvent se combiner à volonté entre eux pour créer des circuits aux propriétés les plus diverses, ainsi que l'on rapporté Gröning et son équipe dans un article publié la revue scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les...) "Advanced Materials".
L'astuce utilisée pour cela: sur les nanofils élaborés sur la surface on dépose par pulvérisation (Le terme de pulvérisation a été introduit en 1975 par J. M. Steele dans sa thèse de doctorat, à l'université Stanford.) cathodique dans une deuxième étape des particules d'argent; une cible dans ce cas un bloc d'argent ? est bombardée à l'aide d'ions haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), ce qui lui arrache des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) d'argent qui passent alors dans la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) gazeuse et vont se déposer sur les nanofils. Ensuite, dans une dernière étape, les chercheurs de l'Empa font croître sur ce nanofil originel d'autres nanofils qui, de plus, sont reliés électriquement avec ce dernier grâce aux particules d'argent: et voilà créée la structure de base d'un circuit intégré (Le circuit intégré (CI), aussi appelé puce électronique, est un composant électronique reproduisant une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, intégrant souvent plusieurs types de composants électroniques...) à l'échelle nanométrique.

Un premier pas de la microélectronique vers la nanoélectronique

Les résultats des premières mesures de conductibilité (La conductibilité est la propriété des matériaux à propager la chaleur ou l'électricité.) effectuées sous ultravide sur un microscope à effet tunnel (Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui reçurent le Prix Nobel de physique pour cette invention en...) à quatre pointes spécial ont dépassé toutes les espérances: ces nanofils sont d'une qualité extraordinaire. "Ceci nous permettra de produire aussi bientôt des semi-conducteurs organiques" est convaincu Gröning. "Et cela de plus avec un procédé simple et peu coûteux. Entre temps, ces chercheurs sont parvenus à développer des structures de nanofils toujours plus complexes et à les relier entre elles avec toujours plus d'habileté.

Par exemple des nanofils formés de différentes molécules de départ. Si l'on utilise des molécules qui ne peuvent transporter soit que des charges positives soit que des charges négatives, on obtient alors une diode qui ne laisse passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) le courant que dans un seul sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par...). Gröning pense qu'il est fort probable qu'un jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa...) on puisse réaliser ainsi des composants pour la nanoélectronique et la nanophotonique du futur.

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Source: Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research (EMPA)
Illustrations: EMPA