CNT comme élément rayonnant

Les CNT ont la capacité de devenir des éléments électromagnétiques rayonnants.

Des études théoriques de dipôles composés de SWCNT métalliques démontrent que grâce

aux effets quantiques, ces antennes seraient 50 fois plus courtes que des antennes

fonctionnant à la même fréquence [170, 176]. Cette réduction de taille conséquente les

rendant particulièrement intéressante dans un contexte de nano-interconnexions sans fils et

de nano-packaging toujours plus compact.

III.1.1.1. Application des interconnexions sans-fil

Grâce à leur petite taille et la réduction de longueur d’antenne qu’ils offrent, les CNT

sont des candidats possibles comme matériau de nano-antennes. Ces nano-antennes

fonctionnant entre quelques dizaines de GHz jusqu’au bande optique permettraient de

connecter les dispositifs nanoélectroniques au reste du macro-système.

Ainsi les électrodes utilisées pour connecter ces nano-dispositifs seraient remplacées

par ce nouveau type d’interconnexion et la forte résistance de contact, introduite par la

désadaptation en taille et en impédance, disparaîtrait. Une solution de remplacement serait

de créer un composant contenant de multiples nano-antennes de tailles différentes. Chaque

antenne correspondrait donc à une fréquence de fonctionnement spécifique. Le dispositif

couvrirait ainsi une large bande de fréquences et pourrait communiquer avec le reste des

microsystèmes (voir figure 90) [176].

Figure 90 : Schéma d’une configuration de système possible utilisant des antennes en CNT [176].

Une autre application de ces nano-antennes serait de les utiliser pour réaliser des

interconnexions inter-puce. Ce nouveau type d’interconnexion a été étudié toujours dans

l’optique de remplacer les interconnexions métalliques traditionnelles introduisant trop de

pertes à hautes fréquences lorsque leur taille est réduite [177]. Une nano-antenne serait

donc introduite sur les puces pour réaliser des interconnexions sans-fil entre des puces

adjacentes. Il est envisageable aussi d’introduire plusieurs nano-antennes sur une même

puce pour réaliser des interconnexions intra-puce. Des travaux ont porté sur l’étude

d’antennes dipôles en métal fonctionnant jusqu’à 90 GHz [178].

Le travail mené dans le cadre de cette thèse, poursuit donc sur cette seconde idée de

transmission hautes-fréquences sur de courtes distances utilisant des nano-antennes

monopoles en CNT en vue de communications intra- et inter-puces (voir figure 91).

Figure 91 : Schéma du principe d’interconnexions sans-fil intra- et inter-puces utilisant des antennes en CNT.

III.1.1.2. Interconnexions sans-fil intra-puce en CNT pour application optique

De par leur très courte taille et leur capacité à rayonner, les SWCNT ont rapidement

été envisagés comme antenne. Pour des SWCNT de très courte taille (de quelques

nanomètres à quelques micromètres), ces nouvelles antennes pourraient fonctionner dans

des bandes de l’ordre du THz voire dans le domaine optique. Des études théoriques ont

démontré que la résonance géométrique des antennes en CNT ralentit les plasmons de

surface entraînant un décalage de la fréquence de résonance vers les bandes THz [179,

180, 181]. Ainsi les antennes CNT seraient de bons candidats pour réaliser des

interconnexions sans-fil dans le domaine THz. Wang Y. et al. ont réalisé une antenne en

CNT fonctionnant dans le domaine THz. L’antenne est fabriquée à partir d’un paquet de CNT

synthétisé par PECVD. L’effet de polarisation est alors étudié sur ce paquet de CNT. Pour

cela, de la lumière blanche est envoyée sur un échantillon comprenant un film métallique

juxtaposé à un film de MWCNT alignés aléatoirement mais allongés dans le plan du substrat.

Un polariseur récolte la lumière réfléchie et la polarise suivant un angle Θ. Wang Y. et al.

remarquent que les CNT se comportent comme des antennes réfléchissant l’onde

électromagnétique qu’ils reçoivent [182]. Lorsque l’angle de polarisation est parallèle à l’axe

des CNT (Θ = 0°), un maximum de réflexion est atteint (voir figure 92).

Figure 92 : Effet de polarisation d’un paquet de MWCNT alignés aléatoirement mais couchés dans le plan du substrat. L’intensité lumineuse réfléchie et normalisée est tracée en fonction de l’angle de polarisation. Les cercles représentent l’intensité lumineuse pour le paquet de MWCNT et les carrés

représentent l’intensité lumineuse du film métallique. Les courbes noires représentent le comportement attendu pour le film métallique et le film de MWCNT. Les images sont les échantillons vus avec un angle de polarisation Θ=0° (gauche) et Θ=90° (droite). Echelle de l’ordonnée : 1 cm [182].

D’autres recherches montrent que les CNT ont des propriétés d’émission et

d’absorption optique intéressantes [183]. Ces propriétés permettraient d’obtenir des

comportements similaires aux antennes dans les CNT. Des solutions d’interconnexions

sans-fil dans le domaine optique seraient ainsi possible. L’utilisation de signaux du domaine

optique pour transmettre l’information permettrait un flux de données plus important et

également une plus grande efficacité. La transition de bande au sein des CNT est utilisée de

façon similaire aux mécanismes des dispositifs optoélectroniques [184]. Un système utilisant

un CNT comme antenne fonctionnant dans le domaine optique est présenté de façon

schématique figure 93.

Dans ce design, le nanotube agit comme un modulateur et une antenne pour

l’émetteur (figure 93.a.) et comme un démodulateur et une antenne pour le récepteur

(figure 93.b.). Ainsi en appliquant une tension constante au SWCNT par des électrodes

connectées au nanotube, de la lumière peut être générée. La longueur d’onde de cette

lumière, soit la fréquence de résonance de l’antenne, dépend du gap du CNT et donc de sa

chiralité (voir section I.1.2.2.). Le nanotube du récepteur se comporte comme un

photo-détecteur et génère un signal de tension lorsqu’il reçoit de la lumière. Néanmoins, la

réalisation de tels dispositifs reste complexe puisqu’ils nécessitent des SWCNT de taille,

diamètre et chiralité exactement identiques pour le transmetteur et le récepteur. Une

application potentielle est la création d’électrodes transparentes dans des cellules

photovoltaïques.

Figure 93 : Représentation schématique de a) l’émetteur et de b) le récepteur.

III.1.1.3. Interconnexions sans-fil inter-puce en CNT pour application Hautes

Fréquences

Comme vu en section I.1.2.3., les nanotubes de carbones ne se comportent pas

comme des conducteurs ordinaires grâce à leurs propriétés quantiques. Par conséquent, un

dipôle en CNT aura une fréquence de résonance différente d’une antenne métallique pour

une même longueur. En effet, grâce au modèle théorique des CNT, il a été démontré que la

taille d’une antenne peut être réduite en utilisant l’effet quantique au sein des CNT comme

l’inductance cinétique (voir figure 94) [170, 185, 176]. Ce comportement a donc une origine

différente du mécanisme de transition de bande présenté précédemment. Il est alors

possible d’obtenir une réduction de la taille de l’antenne en CNT comparée à une antenne

métallique de même fréquence de résonance. Et ce pour des fréquences inférieures aux

THz, Hanson G. W. démontre que, au-delà d’une fréquence critique de 53 GHz, une antenne

dipôle en CNT est capable de résonner [186].

En effet, pour des fréquences inférieures à 53 GHz, la longueur de CNT nécessaire

est trop importante et l’amortissement le long du tube rend impossible tout effet de

résonance du tube. En contraste, plus la fréquence est élevée, plus la taille de l’antenne en

CNT est réduite.

a)

Figure 94 : Concept d’antenne dipôle utilisant deux SWCNT [176].

Le principal challenge pour intégrer des nano-antennes en à un environnement

« micro » passif haute fréquence est la prise en compte de la forte résistance interne des

CNT. Comme nous l’avons vu section I.1.3.1, la résistance d’un SWCNT métallique est de

plusieurs kΩ ce qui engendre une forte désadaptation lorsque l’on veut relier le SWCNT à un

circuit d’impédance caractéristique classique de 50 Ω (voir section II.2.1.1.). Par conséquent,

il est nécessaire d’utiliser des paquets de SWCNT en parallèle pour constituer une

nano-antenne et réduire sa résistance globale. Néanmoins, dans cette configuration les effets

quantiques responsables de la réduction de taille des antennes sont aussi diminués. Un

compromis doit alors être fait entre réduction de taille et bonne adaptation de l’antenne.

Finalement, le concept d’antennes dipôles présenté figure 94 reste de l’ordre du

théorique puisqu’il apparaît, avec les moyens actuels, difficile de fabriquer de telles

antennes. De plus, pour des antennes utilisant des paquets de CNT, que nous étudierons

dans la section suivante, les premiers travaux menés par Pierre Franck [174] et Christophe

Brun [57] démontrent qu’un rapport hauteur/diamètre élevé (quelques centaines de

micromètres de haut pour une dizaine de large) ainsi qu’une forte densité de CNT (10

14

CNT/m

²

) est nécessaire pour le bon fonctionnement de ces antennes. Par ailleurs, ces

antennes ne rayonnent pas de façon très efficace.

Nous nous sommes donc efforcés au cours de cette thèse d’améliorer l’efficacité de

ces antennes, tout en réduisant le rapport hauteur/diamètre et en restant dans les limites des

contraintes de fabrication.

Dans le document Nanostructures de carbone dédiées aux interconnexions hautes fréquences (Page 133-138)