Nanotechnologie - Etude de cas

Des fils fins comme des molécules

Le projet Nanowires a fait des découvertes essentielles sur le comportement des rubans de connexion de taille moléculaire dans les circuits intégrés.

L'un des principaux obstacles pour faire descendre la taille des circuits intégrés à l'échelle nanoscopique est celui des rubans d'interconnexion qui relient entre eux les différents composants de la puce électronique. Les circuits de moins de 100 nm nécessiteront des connexions d'une taille de moins de 50nm et pouvant aller jusqu'aux dimensions moléculaires et même atomiques. Une échelle de grandeur à laquelle certains phénomènes fondamentaux, tels que la conductivité des électrons, peuvent manifester des propriétés quantiques.

Le projet Nanowires a été lancé dans le cadre de l'Initiative de recherche avancée en microélectronique (MEL-ARI) dans le but d'explorer la possibilité de produire de tels systèmes électroniques. Dirigé par l'université de Cambridge, il réunit des instituts de recherche danois, français, espagnol, suédois et suisse.

"On peut concevoir deux types de rubans de nano-connexion, soit métalliques, soit moléculaires, explique Véronique Langlais, une jeune scientifique française ayant rejoint IBM-Zurich au début du projet. Les connexions et les commutateurs moléculaires présentent des avantages-clés. D'une part, lorsque l'on utilise une molécule spécifique, on connaît exactement sa composition et la reproductibilité est parfaite. De plus, les molécules dites intelligentes peuvent être conçues de façon à s'ajuster elles-mêmes - elles se mettent littéralement en position sur la puce électronique. Ce qui est bien plus performant qu'une disposition manuelle."

L'atterrissage de Lander

IBM-Zurich a travaillé avec un des partenaires du projet Nanowires - le centre CEMES de Toulouse (Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales, faisant partie du CNRS en France) - à la conception d'une connexion moléculaire réalisée grâce à un logiciel de modélisation spécial. CEMES l'a synthétisé au moment où la Mission Pathfinder de la NASA atteignait Mars. Cette coïncidence, ainsi que l'apparence de la molécule, a conduit l'équipe à baptiser son nouveau composant Lander, comme le véhicule envoyé sur Mars.

La molécule Lander est composée d'environ 200 atomes de carbone et d'hydrogène. Elle mesure 1,7 nm de long, et 0,3 nm de large et se tient sur quatre pieds isolants qui la maintiennent à 0,6 nm du substrat auquel elle est fixée. Le but des chercheurs était d'étudier sa conductivité électronique; ils eurent la surprise de constater que leur nouvelle "mascotte" était en outre "intelligente".

"Le fait que Lander soit ainsi capable de s'auto-arrimer au circuit était un plus important. Chaque fois qu'un composant du circuit comporte une électrode située à bonne hauteur au-dessus du substrat, Lander ira se fixer à cette électrode, poursuit Mme Langlais. Si vous voulez utiliser Lander pour connecter deux composants du CI, vous devez donc les doter de bonnes électrodes, placées de telle façon qu'elles soient à même hauteur et séparées par un intervalle de largeur adéquate. Lander trouvera par lui-même l'endroit où il doit se placer."

Effet tunnel

Et ensuite? La question essentielle était de savoir dans quelle mesure des molécules comme Lander peuvent conduire un courant électrique entre deux composants. "Lander n'est pas conducteur, du moins pas au sens classique du terme, reconnaît Mme Langlais. Mais les électrons voyagent pourtant le long de la nano-connexion - suivant le principe quantique de pénétration par effet tunnel".

La charge passe entre les deux électrodes parce que la fonction d'onde métallique des électrodes est absorbée par Lander, ce qui étend sa longueur de pénétration. Cela permet aux électrons de "franchir l'intervalle" sans pour autant traverser physiquement Lander, conformément au principe d'incertitude de Heisenberg.

L'équipe n'a pas seulement apporté la première confirmation expérimentale de ce phénomène, mais elle a aussi pu attribuer une valeur quantitative à l'amplitude de la "barrière tunnel" de la pénétration dans Lander. En outre, elle a pu vérifier que le courant ne passe pas d'une nano-connexion à l'autre, même quand celles-ci sont placées côte à côte - une découverte importante, car elle permettait leur mise en série à haute densité.

"Nous pouvions modifier la barrière tunnel de Lander en comprimant physiquement la molécule avec un microscope STM, ajoute Mme Langlais. Ceci ouvre la voie à la conception de transistors moléculaires. Un travail similaire de notre équipe a mené à la découverte de l'amplificateur électromécanique C60 et du rotor moléculaire (voir encadré). Grâce à ces découvertes, les frontières entre la nanoélectronique et la nanomécanique disparaissent aujourd'hui rapidement."