Des fondements de la mécanique quantique aux architectures Gate-All-Around.
Bien avant de manipuler la matière, il fallait la comprendre. Tout commence avec l'avènement de la mécanique quantique au début du XXe siècle.
Le moment clé est le célèbre Congrès Solvay de 1927, réunissant les plus grands esprits de l'époque : Einstein, Curie, Planck, Schrödinger, Heisenberg, et Bohr. Ce sont eux qui ont posé les équations (comme $\hat{H}\psi = E\psi$) qui régissent le comportement ondulatoire des électrons que nous manipulons aujourd'hui dans nos nanostructures.
Le véritable coup d'envoi conceptuel est donné par Richard Feynman lors de sa conférence au Caltech : "There’s Plenty of Room at the Bottom".
Il pose alors une question provocatrice : "Pourquoi ne pas écrire les 24 volumes de l'Encyclopedia Britannica sur la tête d'une épingle ?". Il prédit ainsi la manipulation directe des atomes, bien avant que les outils (comme le microscope à effet tunnel STM en 1986) ne permettent de le faire concrètement.
Pour concevoir un dispositif quantique, il faut adapter sa taille à la particule visée. La règle est simple : la dimension du piège ($L$) doit être proche de la longueur d'onde ($\lambda$) de la particule.
Longueur d'onde visible : $\lambda \approx 0,5 - 1 \, \mu\text{m}$.
On confine la lumière dans des objets micrométriques (guides d'ondes, micro-cavités, disques de $2\,\mu\text{m}$ de diamètre).
Longueur d'onde de de Broglie (à 300K) : $\lambda \approx 7 \, \text{nm}$.
Pour confiner un électron et voir des effets quantiques, il faut impérativement descendre à l'échelle nanométrique ($< 20\,\text{nm}$).
Toute l'électronique moderne repose sur notre capacité à empiler des matériaux différents (hétérostructures) avec une précision atomique. Cette prouesse a été saluée par plusieurs Prix Nobel :
Visualisation des matériaux III-V et IV. Notez l'alignement vertical entre GaAs et AlAs.
Pour qu'un matériau émette de la lumière efficacement, la transition de l'électron doit être directe dans l'espace des moments ($\vec{k}$).
En changeant la chimie, on change l'énergie du gap ($E_g$), donc la couleur ($E = h\nu$). Pour les nitrures (GaN) :
Du premier transistor de 1947 (Shockley, Bardeen, Brattain) aux puces de 2025, la course à la miniaturisation suit la loi de Moore (doublement du nombre de transistors tous les 2 ans).
Aujourd'hui, les dimensions sont vertigineuses de petitesse :
Pour garder le contrôle électrostatique à ces échelles, on change la géométrie :
La grille (jaune) est posée à plat sur le canal.
La grille "enjambe" le canal comme une ailette.
Contrôle total : la grille enrobe complètement les canaux.
Une couche très fine de petit gap (ex: GaAs) coincée entre deux murs de grand gap (ex: AlAs). Les électrons sont libres de bouger dans un plan (2D) mais piégés verticalement ($z$). C'est la brique de base des lasers à semiconducteurs.
Structures en forme d'aiguilles ou de piliers. Il existe deux philosophies de fabrication opposées :
On part d'un bloc massif (wafer) et on grave la matière pour ne laisser que des piliers. C'est la méthode traditionnelle de l'industrie des puces (lithographie).
On fait pousser le fil atome par atome, souvent aidé par une gouttelette de métal catalyseur (mécanisme VLS : Vapeur-Liquide-Solide). La goutte absorbe les atomes et fait croître le fil sous elle. C'est la méthode "Naturelle".
Animation de la croissance atomique sous la goutte catalyseur, comme observé au microscope.
Un "atome artificiel" où l'électron est piégé dans les 3 dimensions ($x, y, z$). Son spectre d'énergie est discret (pics fins comme un atome).
Fabrication (Stranski-Krastanov) : On utilise le stress mécanique. Si on dépose un matériau (InAs) sur un substrat dont la maille est plus petite (GaAs), le matériau "stresse" élastiquement. Au-delà d'une certaine épaisseur critique, il s'agglomère spontanément en îlots 3D pour relâcher la contrainte.
L'épitaxie est le dépôt de matériau couche atomique par couche atomique, en respectant la structure cristalline du substrat.
La "Haute Couture".
L'Industrie de Masse.
L'une des avancées majeures récentes (publiée en 2018) est la capacité d'observer la croissance d'un nanofil en direct, atome par atome.
Des chercheurs (équipe de J-C. Harmand) ont réussi à intégrer un microscope électronique en transmission (TEM) directement à l'intérieur d'un bâti d'épitaxie. On peut ainsi voir, image par image, les couches atomiques s'empiler sous la goutte catalyseur lors de la croissance VLS. C'est une fenêtre unique sur la dynamique de la matière à l'échelle nano.
Si les semi-conducteurs jouent avec les électrons "discrets" (bandes d'énergie), la plasmonique joue avec les oscillations collectives des électrons libres dans les métaux. C'est le domaine d'expertise d'Olivier Pluchery, Professeur à Sorbonne Université.
À notre échelle, l'or est jaune et brillant. C'est une propriété du métal massif.
À l'échelle nano, tout change (Couleur Structurelle) :
Analysez la dualité Matière/Lumière. Cliquez pour changer la configuration.
Avec Hynd Remita (Paris-Saclay), Olivier Pluchery a développé des matériaux aux propriétés optiques fascinantes, brevetées sous le nom de couleurs bichromatiques.
Ce sont des matériaux "magiques" qui changent de couleur selon la lumière :
☀ En réflexion (lumière directe) : Ils apparaissent ORANGE.
Inversément, par transparence : Ils apparaissent VIOLET ou BLEU.
Découvrez ces applications (Design, Art, Luxe) sur leur site :
Visiter Bichromatics.comPourquoi Michael Faraday a-t-il été le premier à étudier les colloïdes d'or (le "Ruby Gold") en 1857 ?
Sa motivation n'était pas uniquement scientifique, mais religieuse (foi Sandemanienne). Il cherchait à prouver l'unité divine des forces de la nature. Pour lui, montrer que la même matière (l'or pur) pouvait changer radicalement d'apparence (devenir rouge ou transparent) simplement en étant divisée, était une preuve de cette unité cachée du monde.
Je propose des modules avancés sur la physique des hétérostructures et l'ingénierie quantique pour les étudiants de Licence Physique ou Master.
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