Les nanotechnologies pour demain et après-demain

Depuis bien­tôt dix ans les « nanos » font par­tie de notre quo­ti­di­en. En effet, la struc­ture la plus petite dans un micro­processeur était inférieure à 100 nm dès les années 2005 ; elle est main­tenant de 14 nm dans les plus récents.

Course à la miniaturisation

Cette course à la minia­tur­i­sa­tion, menée par l’industrie de la microélec­tron­ique dès les années 1970, a per­mis aux chercheurs, physi­ciens tout d’abord, d’accéder à des objets jusqu’alors inaccessibles.

Les nanosciences cou­vrent désor­mais l’ensemble des champs dis­ci­plinaires jusqu’aux sci­ences humaines par les prob­lèmes socié­taux qu’elles soulèvent. La nanophysique étudie le com­porte­ment de la matière aux très petites dimensions.

Effets quantiques

Pourquoi la matière a‑t-elle un com­porte­ment dif­férent lorsque l’on réduit ses dimen­sions ? Il y a tout d’abord une exal­ta­tion de l’effet de surface.

“ La dualité onde-particule doit être prise en compte ”

En effet, lorsque l’on réduit la taille, le taux d’atomes en sur­face aug­mente con­sid­érable­ment par rap­port à ceux en vol­ume. Les atom­es en sur­face n’ayant pas le même envi­ron­nement que ceux en vol­ume, on s’attend donc à observ­er des pro­priétés physiques notable­ment dif­férentes, avec des appli­ca­tions intéres­santes pour les capteurs.

Vue par micro­scopie à force atom­ique d’une couche active à boîtes quan­tiques mon­trant la dis­tri­b­u­tion des boîtes.

Mais il y a égale­ment des effets plus intrin­sèques, les effets quan­tiques. Ils se man­i­fes­tent sous deux aspects.

Tout d’abord la réduc­tion des dimen­sions lève la dégénéres­cence des niveaux d’énergie, on passe alors d’une bande con­tin­ue d’états à des niveaux dis­crets – l’énergie est quan­tifiée ain­si que toutes les autres pro­priétés qui en dépen­dent : con­duc­tion élec­trique, absorp­tion optique, etc. Les den­sités d’états devi­en­nent plus mar­quées, pro­priétés util­isées dans les lasers à semi-con­duc­teurs comme nous le ver­rons par la suite.

Mais égale­ment, sur des petites dis­tances, les par­tic­ules restent cohérentes et les effets d’interférences, qui sont sou­vent brouil­lés à l’échelle macro­scopique devi­en­nent impor­tants : la dual­ité onde-par­tic­ule doit être prise en compte.

Transmettre plusieurs térabits/s

Par­mi les recherch­es que nous menons, cer­taines auront des appli­ca­tions proches, et d’autres seront plus futur­istes. Ain­si, les nanos­truc­tures et les nan­otech­nolo­gies sont entrées dans le domaine des diodes laser pour les com­mu­ni­ca­tions optiques.

Les lasers à semi-con­duc­teurs à base de « boîtes quan­tiques » sont étudiés pour leurs pro­priétés remar­quables liées au con­fine­ment des por­teurs de charge dans les trois dimen­sions de l’espace.

Une boîte quan­tique est con­sti­tuée d’un îlot de matéri­au semi-con­duc­teur de dimen­sion typ­ique 10 nm x 10 nm x 10 nm. Au LPN, c’est l’élargissement inho­mogène du spec­tre de gain lié à la dis­tri­b­u­tion en taille des boîtes qui a été récem­ment exploité dans des diodes laser en régime de ver­rouil­lage de modes, pour la généra­tion de peignes de fréquence.

Des dizaines de canaux spec­traux à faible bruit ont pu être util­isés dans des expéri­ences de trans­mis­sion optique, jusqu’à un débit de 2,25 térabits/s par com­posant. Ces résul­tats offrent des per­spec­tives pas­sion­nantes pour un cer­tain nom­bre d’applications, dont les inter­con­nec­tions optiques dans les data cen­ters.

Ce tra­vail s’effectue au LPN en parte­nar­i­at avec Alca­tel 3–5 Lab et les parte­naires du pro­jet européen Bigpipes.

Spec­tre optique de l’émission du laser en ver­rouil­lage de modes ;
près de 100 modes espacés de 20 GHz sont util­isés comme canaux de transmission.

Nanolasers

L’intégration des com­posants optiques, au plus près de l’électronique de com­mande, passe aus­si par l’intégration hétérogène de semi-con­duc­teurs III‑V sur silicium.

Pho­togra­phie prise au micro­scope élec­tron­ique à bal­ayage d’un nanolaser hybride III‑V sur Si.

Il s’agit d’une tech­nolo­gie clé pour la con­ver­gence de la microélec­tron­ique et de la pho­tonique sur puce, un grand défi de la R & D actuelle dans le domaine des composants.

Le LPN a fait récem­ment ren­tr­er ce champ de recherche dans le monde de la nanopho­tonique en réal­isant des nanolasers à base de cristaux pho­toniques cou­plés de façon extrême­ment effi­cace à une cir­cui­terie sous-jacente de guides d’onde en silicium.

Ces nanolasers, fab­riqués de façon com­pat­i­ble CMOS (stan­dard de la microélec­tron­ique), sont extrême­ment com­pacts puisqu’ils occu­pent une sur­face de l’ordre de 10 μm² sur le cir­cuit. Ils présen­tent des per­for­mances très promet­teuses en ter­mes de con­som­ma­tion d’énergie et de rapidité.

Traitement quantique de l’information

Un des grands espoirs des nan­otech­nolo­gies est le traite­ment quan­tique de l’information. Plutôt que de coder l’information sous forme binaire, la mécanique quan­tique per­met de traiter une super­po­si­tion d’états. Il ne s’agit donc plus d’un bit qui vaut 0 ou 1 mais d’une infinité de super­po­si­tions d’états 0 et 1. La puis­sance de cal­cul est alors expo­nen­tielle­ment augmentée.

“ Les nanolasers occupent une surface de 10 μm² ”

En optique, le traite­ment quan­tique de l’information (cryp­togra­phie ou cal­cul) néces­site de con­trôler les pho­tons indi­vidu­elle­ment. Dans les lasers qui sont util­isés dans les télé­com­mu­ni­ca­tions sur fibre, la lumière qui trans­porte l’information arrive sous forme de paquet d’un très grand nom­bre de pho­tons. Il est très dif­fi­cile de réalis­er des sources de lumière où chaque paquet con­tient un seul photon.

Pour cela, on peut utilis­er des nano-émet­teurs à l’état solide : ils émet­tent des pho­tons un par un. Cepen­dant, pour faire une source effi­cace, il faut plac­er cet émet­teur de façon très pré­cise dans une micro­cav­ité optique.

Pas­cale Senel­lart (93) a mis au point une tech­nique orig­i­nale de lith­o­gra­phie in situ qui per­met de sélec­tion­ner un émet­teur, ici une boîte quan­tique de semi-con­duc­teur, de mesur­er sa posi­tion à 50 nm près et de façon­ner autour de celle-ci une cav­ité par­faite­ment adaptée.

Cette tech­nique per­met non seule­ment de con­trôler l’émission pho­ton par pho­ton mais égale­ment d’avoir une bril­lance remar­quable, con­di­tion indis­pens­able à une util­i­sa­tion réelle de dis­posi­tifs. Une porte logique basique (CNOT) de logique quan­tique a déjà été réal­isée avec ce dispositif.

À gauche l’échantillon, à droite le pic d’émission de la boîte quantique.

Une réalisation majeure

Pour faire des nanosciences, il faut maîtris­er les nan­otech­nolo­gies qui per­me­t­tent l’élaboration de matéri­aux et leur struc­tura­tion à l’échelle nano. Le réseau Renat­e­ch coor­donne au niveau nation­al les ressources tech­nologiques de six grandes centrales.

Le but est d’une part d’optimiser les investisse­ments lourds et de créer une infra­struc­ture de recherche au meilleur niveau inter­na­tion­al, d’autre part de met­tre ces moyens à la dis­po­si­tion de l’ensemble des lab­o­ra­toires et des entre­pris­es ayant des activ­ités en micro et nanotechnologies.

En Île-de- France, Renat­e­ch sou­tient deux plate­formes de nan­otech­nolo­gies, l’une au LPN qui com­prend des moyens de crois­sance de matéri­aux III‑V ain­si que 700 mètres car­rés de salle blanche, l’autre à l’Institut d’électronique fon­da­men­tale situé à l’université Paris-Sud, dis­posant de moyens de crois­sance de sili­ci­um et de 600 mètres car­rés de salle blanche.

Dans le cadre des investisse­ments d’avenir et de la créa­tion de l’Université Paris-Saclay qui rassem­ble tous les étab­lisse­ments de for­ma­tion et de recherche de la région, il a été décidé de fusion­ner ces deux lab­o­ra­toires et de créer le Cen­tre de nanosciences et de nan­otech­nolo­gies (C2N).

Ce nou­veau cen­tre s’installera d’ici deux ans dans de nou­veaux bâti­ments sur le site du plateau de Saclay, à quelques cen­taines de mètres de l’École polytechnique.

Un acteur essentiel

Au niveau sci­en­tifique, le C2N représen­tera un des plus grands lab­o­ra­toires de pho­tonique d’Europe, mais égale­ment un lab­o­ra­toire majeur dans les domaines de la nanoélec­tron­ique, les microsys­tèmes et les matéri­aux. Avec 2 500 mètres car­rés de salle blanche, le C2N sera la plus grande cen­trale de tech­nolo­gie académique de France et offrira des moyens à l’état de l’art aus­si bien en crois­sance de matéri­aux qu’en out­ils de nanofabrication.

170 mètres car­rés de salle blanche seront entière­ment réservés à l’enseignement, le C2N sera un acteur essen­tiel de l’enseignement des nanos de la nou­velle université.

Associer formation et recherche

L’ambition est de favoris­er, en asso­ci­a­tion avec les étab­lisse­ments d’enseignement et les futures écoles doc­tor­ales, des par­cours d’étudiants asso­ciant for­ma­tion et recherche, et facil­i­tant leur inser­tion dans le marché du travail.

“ Pour faire des nanosciences, il faut maîtriser les nanotechnologies ”

L’évolution de l’écosystème du plateau de Saclay, avec l’arrivée notam­ment de Hori­ba et EDF, plaide égale­ment pour un rap­proche­ment entre recherche et indus­trie et le développe­ment du poten­tiel économique environnant.

Le C2N met­tra à la dis­po­si­tion d’industriels ou de start-ups 200 mètres car­rés d’espace « blanc » en liai­son avec la salle blanche pour leur per­me­t­tre de faire une étude de preuve de con­cept, de dévelop­per de nou­veaux pro­duits ou de met­tre au point des équipements.

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