1.3 Etat de l'art sur les NEMS
1.3.5 Applications des NEMS envisagées
L
es caractéristiques électriques et mécaniques des nanotubes et nanols associées à leurs dimensions ultra faibles, permettent aux NEMS d'opérer àdes fréquences très élevées. Cette particularité peut s'avérer très intéressante car elle procure une sensibilité inégalée autorisant des applications uniques. Dans cette partie, nous développerons plus particulièrement les principes de la détection de force puis de la mesure de masse avant de clôturer cette revue succincte par une présentation de la nanoradio.Détection de force
Le développement constant des systèmes de mesures de forces a permis la détection de la force de Casimir entre deux métaux distincts, avec une sensibilité de quelques f N/√
Hz [Decca et al. 2003].Ensuite, l'utilisation d'un capteur de force à base de na-nopoutres piézorésistives en silicium a permis d'atteindre une sensibilité remarquable de 235 aN/√
Hz à température ambiante et même 17 aN/√
Hz à 10 K [Arlett et al. 2006] Les microscopes à force atomique font également partie des systèmes qui nécessitent une grande sensibilité aux forces d'interactions entre leur pointe et la matière scannée. Pour cela, il est indispensable d'utiliser des pointes avec un rayon de courbure le plus faible possible et les nanotubes monofeuillets sont les éléments ultimes pour réaliser des pointes à une dimension.De nombreuses équipes ont exploré cette voie et réalisé des pointes AFM avec des nanotubes collés [Dai et al. 1996a,Wong et al. 1998a;b] ou directement synthétisés [Hafner et al. 1999a;b, Tang et al. 2005, Marty et al. 2006] sur une pointe. Rugar et al. [2004] ont réalisé, à partir d'une pointe magnétique ultra-souple , la détection d'une force magnétique correspondant à un unique spin d'électron.
La sensibilité de ces procédés est principalement limitée par les nombreuses sources de bruits possibles qui ont été répertoriées par Cleland et Roukes [2002].L'ultime limite de ces méthodes de détection est reliée à la vibration thermique de la pointe utilisée.Ainsi, la force minimum détectable est :
Fmin =
2kBT kΔν
Qπf0 (1.10)
où Δν est la bande passante du système de mesure, kB la constante de Boltzmann, T la température, Q le facteur de qualité, f0 la fréquence de résonance et k la constante de rappel de la pointe [Itoh et Suga 1995].
Mesure de masse
La mesure de masse par l'intermédiaire de NEMS représente la technique ultime pour détecter des masses ultra-faibles.Elle repose sur le décalage δω0 de la fréquence de résonance de l'oscillateur lorsque qu'une masseδmest ajoutée à ce dernier (Figure1.16).A partir de la relation entre la fréquence de résonancef0 =ω0/(2π)et la masse eectivemef f d'un oscillateur harmonique simple dont la constante de raideur est k (ω0 =k/mef f), Ekinci et al. [2004b] ont exprimé la sensibilité δm en fonction deδω0 :
δm= dmef f
dω0 δω0 =−2mef fδω0
ω0 (1.11)
Dans ce même article,Ekinci et al.[2004b] ont également étudié l'ensemble des limitations thermiques et environnementales an de déterminer la sensibilité ultime d'un détecteur de masse àbase de NEMS.
Figure 1.16 Schéma expérimental du dispositif permettant la mesure de masse et courbe représentant le décalage de la fréquence de résonance par rapport à une masse
déposée [Yang et al. 2006]
Les premières réalisations de tels capteurs ont été eectuées àpartir de poutres ou nanols en silicium. Au départ, la détection minimale fut de quelques femtogrammes [Lavrik et Datskos 2003] pour rapidement accéder àune résolution proche de l'attogramme [Ilic et al. 2004, Ekinci et al. 2004a]. A la même époque, Gupta et al.[2004] démontraient la possibilité d'utiliser ce type de systèmes an de mesurer la masse de protéines mais également détecter la présence de cellules bactériologiques en eectuant une fonctionnali-sation de la surface du nanorésonateur. Plus tard, des mesures àtrès basses températures et sous UHV ont permis d'accéder àdes sensibilités proches de la dizaine de zeptogrammes [Yang et al. 2006,Feng et al. 2007] alors que des mesures àl'air et àtempérature ambiante avec une résolution de 1ag étaient réalisées [Li et al. 2007].
Comme nous l'avons vu précédemment, les nanotubes sont un matériau de prédilection pour fabriquer des nanorésonateurs. La masse d'un nanotube de carbone est extrêmement faible, typiquement quelques attogrammes. Par conséquent, la déposition d'une inme quantité d'atomes sur un tel résonateur augmente signicativement sa masse totale. De plus, leur rigidité mécanique élevée induit des fréquences de résonance importantes. Ainsi, d'après l'équation (1.11), ces deux paramètres permettent d'obtenir une sensibilité accrue pour la mesure de masses ultra-faibles. La première mesure de masse àpartir d'un NEMS
à base d'un nanotube a été eectuée parPeng et al.[2006] et ils ont obtenu une résolution de l'ordre de l'attogramme à température ambiante et sous ultra vide. Par la suite, un nouveau palier a été franchi lorsque Lassagne et al. [2008] ont atteint une sensibilité de 25 zg à température ambiante et surtout 1.4 zg à 6 K. Au même moment, Chiu et al. [2008] et Jensen et al. [2008] détiennent une mesure corrélée à une étude statistique leur permettant d'aboutir à la mesure de la masse d'un atome.
Nanoradio
Récemment, deux équipes ont exploité au même moment un nanotube de carbone an de réaliser une nanoradio [Rutherglen et Burke 2007,Jensen et al. 2007]. Ces deux radios à base de nanotubes ont des congurations géométriques diérentes mais elles permettent toutes les deux de démoduler un signal et de restituer de la musique à partir d'un signal modulé soit en fréquence (FM) soit en amplitude (AM).
La première nanoradio de Jensen et al.[2007] consiste à utiliser un nanotube collé au bout d'une pointe. L'ensemble est inséré dans un TEM an de visualiser la résonance du nanotube et proter du vide du système (10−7 torr) pour réaliser l'émission de champ (Figure 1.17).
Figure 1.17 = Schéma expérimental d'une nanoradio réalisée à partir des vibrations d'un nanotube sous émission de champ. > Images MEB d'un nanotube au repos puis en résonance lors d'une démodulation d'un signal audio [Jensen et al. 2007].
Dans cette conguration, le nanotube est capable de réaliser les quatres composantes nécessaires pour faire fonctionner une radio. Premièrement, le nanotube joue le rôle d'antenne de réception car il est sensible au champ électrique oscillant dû au signal radio présent dans l'environnement. Ce signal modulé provoque une excitation électrostatique du nanorésonateur. Deuxièmement, la fréquence de résonance du nanotube peut être modiée en variant la tension mécanique du nanotube et il est ainsi possible d'accorder cette fréquence sur celle de la porteuse du signal reçu. Enn, les propriétés d'émission de champ des nanotubes permettent de réaliser l'amplication (facteur d'amplication dû à l'eet de pointe du nanotube) et la démodulation du signal (eets non-linéaires).
Toutefois, le signal obtenu nécessite une amplication extérieure supplémentaire avant d'être connecté à un haut parleur. Ainsi, le signal audio est remarquablement bien restitué avec peu de fréquences parasites quelque soit le type de modulation utilisé (FM ou AM). Nous détaillerons plus précisément cette application dans le chapitre3.
Parallèlement à ce premier type de nanoradio, Rutherglen et Burke [2007] ont dé-veloppé une conguration complètement diérente. Leur expérimentation repose sur un nanotube non suspendu et intégré dans un composant correspondant à un transistor à base d'un nanotube. Cette radio fonctionne à l'air avec un signal modulé en amplitude uniquement. Elle repose essentiellement sur les non-linéarités présentes dans la caracté-ristique électrique source-drain IDS(VDS) d'un nanotube.
I =I01 4
d2I
dV2VRF (1.12)
avec VRF l'amplitude du signal AM et la dérivée seconde représente les non-linéarités IDS vs VDS du nanotube.
Par conséquent, dans cette nanoradio, seule l'étape de démodulation est réalisée par le nanotube. Ce système fonctionne pour des fréquences de la porteuse jusqu'à 1 GHz car les capacités parasites dégradent la qualité du signal reçu lorsque la fréquence dépasse cette valeur. Nous reviendrons plus en détails sur ce type de nanoradio à base d'un nanotube intégré dans un composant dans la dernière partie du chapitre 5.