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Nanotechnologie | ||||
A la conquête de l'indéfiniment petit | |||||
La course à la miniaturisation de l'électronique a franchi les frontières de la nanotechnologie. Celle-ci impose un nouveau paradigme scientifique et technologique, de plus en plus multidisciplinaire, impliquant des domaines aussi divers que la microélectronique, la physique quantique et la biologie.
Qu'est-ce donc que la nanotechnologie ? La littérature de science-fiction la présente parfois à travers une xième version d'une "Guerre des étoiles" où des nanomachines déchaînées réduisent la Terre en une boue grisâtre. Mais qu'en pensent les scientifiques? "La nanotechnologie a souvent été définie comme la science ayant pour objet de concevoir, fabriquer et utiliser des structures d'une dimension allant de l'échelle atomique jusqu'à environ 100 nanomètres", explique le Dr Marc Van Rossum, directeur du département Matériaux de pointe et Nanoélectronique à l'IMEC, Institut belge de recherche en microélectronique. "La nanotechnologie recouvre en réalité une extrême variété de domaines - de l'électronique et la physique et la mécanique quantique, en passant par la biologie et la chimie. On ignore d'ailleurs qui a fixé cette limite de 100 nanomètres."
Que cache ce concept ? Ces propos, le Dr Van Rossum les tenait lors d'un atelier industriel tenu sur la nanotechnologie à l'initiative de Phantoms, un réseau du programme Esprit dont il est le coordinateur. Cette rencontre était hébergée par le laboratoire de recherche d'IBM à Zurich, où les deux Prix Nobel de Physique 1986, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, ont inventé le premier microscope à effet tunnel ou STM (scanning tunnelling microscope) - qui est à la nanotechnologie ce que le télescope est à l'astronomie. En écoutant les orateurs, on pouvait découvrir à quel point la définition même de ce qu'est la nanotechnologie suscite des approches variées. Pour Harold Craighead, de l'Université Cornell, ce concept repose sur le contrôle précis de molécules biologiques individuelles, propulsant de ce fait la biochimie vers "de nouveaux horizons dont l'énorme potentiel reste largement inexploité". En revanche, en présentant le "millipède", prototype d'un appareil révolutionnaire de stockage de données, Peter Vettiger, de IBM-Zurich, a démontré des propriétés nanotechnologiques purement mécaniques. Le nom même du réseau Phantoms - acronyme anglais de Physique et technologie des systèmes mésoscopiques - ne simplifie rien. "Le terme mésoscopique comble le vide qui existe entre l'ordre atomique et l'ordre microcrométrique. C'est à cette échelle que les effets de la mécanique quantique commencent à entrer en jeu, explique le Dr Van Rossum. Discuter d'une définition peut paraître oiseux, mais si l'on n'est pas capable de définir une science, comment peut-on espérer s'entendre sur les recherches à mener?" L'impulsion de la nanoélectronique C'est, au cours de cette dernière décennie, l'avènement de la nanoélectronique - enjeu de l'industrie microélectronique - qui a ouvert la voie. Ce virage - largement favorisé par le programme Esprit au niveau européen - s'est imposé en raison des défis croissants auxquels se heurtent les progrès de la technologie CMOS(1). Celle-ci, pierre angulaire de l'évolution naturelle de la microélectronique, a été marquée par un amincissement permanent de la "largeur de ligne", ramenant de 10 microns à 0,25 micron les infimes connexions réalisées dans les circuits intégrés. Cette tendance a inspiré la célèbre loi de Moore, selon laquelle la capacité de traitement des circuits intégrés pouvait ainsi doubler tous les 18 mois. Mais, d'ici peu, les dimensions des composants franchiront la barre mésoscopique de moins de 0,1 micron (100 nanomètres), ce qui entraînera de sérieux problèmes. Certains d'entre eux se posent en termes "purement" technologiques. A mesure qu'ils sont placés de plus en plus près les uns des autres, il est, par exemple, de plus en plus difficile de gérer la dissipation thermique des circuits. Par ailleurs, on prévoit que le coût de fabrication des équipements de production des semi-conducteurs dépA long terme, la technologie CMOS pourrait toutefois rencontrer un obstacle plus fondamental; celui du franchissement des frontières du monde quantique. Comment concevoir un circuit lorsqu'on arrive à une échelle où l'on est obliger d'intégrer le principe d'incertitude de Heisenberg ? C'est dans cette perspective que le programme Esprit a lancé, en 1997, dans le cadre de son activité de "recherche à long terme", l'initiative de recherche avancée en micro-électronique MEL-ARI, dotée de 25 millions d'euros. "Elle a pour but d'ouvrir la voie à une toute nouvelle génération de systèmes informatiques", souligne Kostas Glinos du programme Esprit. MEL-ARI comporte deux groupes de projets - l'un axé sur les interconnexions optoélectroniques et l'autre sur les nanotechniques de production de CI. Les recherches menées dans les 13 projets de ce second groupe pourraient avoir un impact sur les mémoires et les processeurs logiques dès le début du siècle prochain. Elles visent notamment l'électronique à électron isolé, l'électronique moléculaire, les techniques de nanogravure, les CI quantiques et les interconnexions nanoscopiques (voir "Des fils fins comme des molécules").
Un nouveau paradigme ? "De nouveaux paradigmes informatiques sont à l'étude, et ce domaine commence à devenir plus multidisciplinaire", déclare Kostas Glinos. "On ne parle plus seulement de nanoélectronique, mais de processus envisagés à l'échelle moléculaire, qu'ils soient électroniques, mécaniques, biochimiques ou même quantiques. Nous ne devons plus penser les choses en termes de performances de machines, mais poser les questions au niveau des systèmes". Pour le Nobel Heinrich Rohrer, de IBM-Zurich, cette approche vient à son heure. "Les voies actuelles de l'industrie micro-électronique se heurtent à leurs limites, explique-t-il. Il ne nous reste plus que deux étapes de miniaturisation supplémentaires avant d'atteindre le niveau atomique, et cela coûtera une véritable fortune. Avons-nous vraiment besoin de machines de la génération du pentabit ? Plutôt que de continuer à fabriquer des semi-conducteurs de plus en plus petits, ne vaudrait-il pas mieux essayer d'atteindre un plus haut niveau de complexité?" Heinrich Rohrer voit dans les systèmes biologiques un meilleur paradigme : "Les systèmes naturels traitent un grand nombre de paramètres en périphérie, et ne transmettent au noyau que les informations utiles, pas les données brutes. Ils y parviennent grâce à une complexité intégrée- combinant la physique, la chimie, la biologie et l'électronique. C'est pourquoi les programmes de recherche de demain doivent être davantage pluridisciplinaires." Le bon moment "Il est temps de devenir plus audacieux, approuve Kostas Glinos. La recherche en nanotechnologie doit révolutionner nos approches et fournir de nouvelles fonctionnalités. Pour pouvoir un jour fabriquer des structures à l'échelle atomique, nous devons inverser la démarche consistant à partir du plus grand vers le toujours plus petit pour des techniques de fabrication "bottum-up", dans lesquelles les éléments devront, par exemple, s'auto-assembler. Comme de telles techniques sont sujettes à imperfection, il faudra adopter des architectures détectant et absorbant les anomalies - celles que l'on trouve dans les systèmes biochimiques." Dans la nouvelle structure interdisciplinaire du 5ème programme-cadre, la nanotechnologie ne sera donc plus limitée à la nanoélectronique (voir encadré). "Ce changement de conception était une question de temps, déclare M. Glinos. Nous avons eu des projets atypiques dans le passé, mais la masse critique n'a pas été atteinte parce que ce créneau n'était pas encore assez mûr et que la demande de la science ou de l'industrie n'était pas assez forte. Aujourd'hui, le moment est venu." (1) CMOS - circuits à transistors MOS complémentaires, procédé de base utilisé dans l'industrie microélectronique. Contact:
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