nanosciences et nanotechnologies

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Présentation

nanosciences et nanotechnologies, ensemble des sciences et techniques visant à la maîtrise et à la fabrication d’objets de dimension moléculaire, voire atomique.

Le signal de départ de la course à la miniaturisation extrême est donné en 1959 par Richard Feynman, physicien théoricien américain qui reçoit le prix Nobel en 1965. En effet, lors d’une conférence donnée au California Institute of Technology (Caltech), Richard Feynman s’exclame : « pourquoi ne pourrait-on pas écrire la totalité de l’Encyclopaedia Britannica sur la tête d’une épingle ? ». Les moyens de miniaturisation et d’observation n’existent alors pas encore. Ils apparaissent progressivement, grâce notamment à l’invention du microscope à effet tunnel (voir microscope-sonde à balayage) par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer en 1981 — invention qui leur vaut le prix Nobel en 1985 — et au développement de moyens de lithographie et de gravure de plus en plus performants.

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Nanotechnologies : étape ultime de la miniaturisation

L’unité de mesure des nanotechnologies est le nanomètre (nm), c’est-à-dire le milliardième de mètre (1 nm = 10^-9 m). C’est à peu près la longueur représentée par une chaîne de 3 atomes. Cette dimension est donc très proche de la taille des briques élémentaires de la matière. Pour cette raison, les nanotechnologies constituent certainement l’étape ultime de la miniaturisation. Par « nanotechnologies » on désigne clairement toutes les techniques de fabrication d’objets de dimensions nanométriques. Pour comprendre les propriétés de ces objets, il est nécessaire de mobiliser tout l’arsenal des sciences : la physique, la chimie, la mécanique, voire la biologie sont mises à contribution. Ceci fait que le concept de « nanosciences » recouvre en fait un large ensemble de connaissances. Nanosciences et nanotechnologies apparaissent ainsi comme les deux aspects complémentaires et indissociables des savoirs à mobiliser pour aboutir à la maîtrise d’objets minuscules.

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Loi de Moore et roadmap

La réalisation de microcircuits électroniques (voir circuit intégré) passe par diverses opérations de lithographie et de gravure, qui permettent de dessiner dans le silicium les motifs du circuit. La résolution, c’est-à-dire la taille des plus petits motifs réalisables, est de plus en plus réduite. Cette réduction des dimensions permet d’augmenter la complexité et la densité des circuits électroniques, qui sont réalisés sur un même carré de silicium, souvent appelé puce (en souvenir de l’époque où il ne mesurait pas plus de 1 mm²).

En 1965, Gordon Moore, l’un des fondateurs de la société américaine Intel, observe que la densité des circuits réalisés sur une même puce montre une croissance continue, conduisant tous les ans à un doublement du nombre de transistors. Cette observation, baptisée « loi de Moore » et réévaluée en 1975 — la densité des transistors double en fait tous les dix-huit mois —, est toujours vérifiée au début de xxi^e siècle. Elle s’accompagne d’une prévision : la roadmap (littéralement « carte routière »). Les industriels de la microélectronique planifient en effet les performances des circuits à réaliser et leur échéancier de fabrication dans un document baptisé la « SIA Roadmap » : c’est le plan de route de la microélectronique remis à jour chaque année par la Semiconductor Industry Association (SIA) — organisme représentant les principaux vendeurs de semi-conducteurs.

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Instrumentation des nanotechnologies

Les composants de la microélectronique ont des dimensions de plus en plus réduites. En 2002, les plus petits motifs sont inférieurs à 100 nm. Les projections visent à atteindre des dimensions de 45 nm en 2008. Ceci est rendu possible par la mise au point d’outils de lithographie et de gravure d’une part, d’instruments de caractérisation d’autre part, qui sont de plus en plus performants.