Les activités de recherche aboutissent au développement des sources d’électrons à base de NTC monoparois pour des écrans plats76 (Figure I.6), des tubes à décharge générateurs de rayons X77,78 ou de micro-ondes79.
a) b)
Figure I.6 : a) Image MEB plots émetteurs à effet de champ, de type triode, à base de NTC; d) NTC émergeant à la surface d’un émetteurs 81.
L’émission d’électrons nécessite l’application d’un potentiel entre un NTC et une borne anodique : ceci génère un champ électrique d’intensité locale élevé au niveau du sommet du NTC en raison de sa dimension nanométrique. Ce champ local favorise l’émission d’électrons par effet tunnel dans le vide. L’émission d’électrons s’effectue à partir des niveaux d’énergie discrets des NTC : leur structure électronique influence donc le comportement à l’émission80. Il est possible d’envisager de diriger les électrons afin qu’ils bombardent une cible : l’interaction des électrons avec la matière produit des ondes électromagnétiques, dont la nature dépend des conditions opératoires.
Les prototypes d’écrans plats produits par Samsung témoignent d’un développement important76,81, néanmoins la mise sur la marché exige une plus grande compétitivité comparativement aux écrans plats des premières générations (cristaux liquides, à diodes organiques).
I. 3. 2. Nanomécanique et nanoélectromécanique
En vertu de leurs propriétés mécaniques, les NTC de type monoparoi ont été tout d’abord employés pour les pointes d’AFM82 et sont actuellement fabriquées commercialement par Daiken Chemical Company. La modification covalente des extrémités des NTC par ajout de ligands à fonctions chimiques ou biologiques, permet de sonder spécifiquement les
espèces chimiques et biologiques83.
Les performances des NTC au sein d’un système électromécanique ont été mises en évidence dans le projet de muscles artificiels84,85, nécessitant des tensions électriques de quelques volts, soit quelques ordres de grandeur inférieure à celles employées pour les piezoélectriques ou les actuateurs électrostrictifs. Toutefois, les avancées dans de nombreux secteurs technologiques sont attendues de l’introduction de NTC au sein de NEMs.
Très tôt, l’équipe de Globus86 a développé théoriquement des machines moléculaires dont les éléments essentiels sont des NTC : la réalisation pratique des tels dispositifs pourrait ouvrir la voie à des applications en nano-mécanique.
Le concept de nanopinces principalement exploré par l’usage de NTC multiparois87,88 constitue également un défi intéressant pour la caractérisation et la manipulation à l’échelle nanométrique.
Par ailleurs, l’usage des NTC en tant que ressort de torsion a été démontré au sein d’un nano-résonateur activé électrostatiquement89.
Les propriétés électromécaniques des NTC ont été étudiées par le groupe de Dai90 qui a mis en évidence les variations de conductance sous l’effet de contrainte mécanique. Cette caractéristique a été mise à profit par l’équipe de Mc Euen91 au sein d’un oscillateur électromécanique (Figure I.7). Dans ce type de NEMS, les modes d’oscillation d’un NTC monoparoi, reliant les électrodes source et puits, sont activés et détectés par voie électrique capacitive (la fréquence de résonance est de l’ordre de 1-100 MHz).
La conception d’un nanointerrupteur électromécanique est également rapportée par l’équipe de Aluru92 : en raison de sa grande élasticité, un NTC peut être déformé réversiblement sous l’action d’une force électrostatique.
Figure I.7: Dispositif d’oscillateur électromécanique basé sur un NTC. Niveau supérieur : image MEB traitée d’un NTC monoparoi suspendu (barre d’échelle de 300 nm). Niveau inférieur : schéma du dispositif de profil. Les électrodes métalliques (source et drain) et le NTC sont disposés à l’aplomb de la tranchée de 500 nm pratiquée dans la couche d’oxyde de silicium en gris 91.
I. 3. 3. Optoélectronique
A la structure électronique des NTC sont associées à des propriétés optoélectroniques intéressantes. Milkie et al.93 ont mis en évidence, pour certains NTC monoparois semiconducteurs, un phénomène de photoluminescence avec décalage vers le bleu (d’une valeur de 20 meV) au-delà d’un seuil en puissance du faisceau laser (λ = 1,55 eV) incident (de l’ordre de 10 mW), dont l’origine demeure indéterminée. Ce type d’interrupteur optique présente un intérêt potentiel pour les technologies optoélectronique (détection optique, chimique et biologique).
Les systèmes NTC-polymère photosensible peuvent constituer des éléments-clé dans la fabrication de mémoire optoélectronique : les porteurs de charge créés au sein du polymère sous illumination sont ainsi écoulées ou stockées au sein d’un NTC qui joue le rôle de transducteur94.
Le principe de photodétection reposant exclusivement sur la photoconductivité des NTC semiconducteurs peut également être appliqué. Ainsi le groupe d’Avouris95 observe ainsi que l’intensité du photocourant généré dans un NTC-FET ambipolaire est d’autant plus élevée que la direction de polarisation du faisceau lumineux (laser infrarouge) incident est parallèle au NTC : il s’agit donc d’un photodétecteur polarisé à zone sensible de taille sensiblement inférieure à la longueur d’onde de la lumière détectée.
Le groupe d’Avouris96 a également mis en évidence le phénomène d’émission d’ondes infrarouges induites au sein d’un NTC-FET ambipolaire (Figure I.8), dues à la recombinaison d’électrons et de trous injectés simultanément au sein du NTC. Ceci constitue un pas décisif vers la fabrication de dispositifs photoniques intégrés ultraminiatures.
Figure I.8 : Emission optique de FET basé sur un NTC ambipolaire. Le circuit électrique, représenté en gris clair sur le plan supérieur, aboutit au canal de NTC, où est localisée l’émission (dans un plan vertical). Le plan inférieur figure l’émission infrarouge, localisée à la position du NTC. L’insertion est une image MEB de la région du NTC émetteur 96.
I. 3. 4. Nanodétection
Les NTC semiconducteurs (SCPG inclus) peuvent assurer la fonction de capteur
chimique97,98 ou biologique99,100, avec des réponses qui tendent à être rapides et réversibles, au fur et à mesure des progrès. Le principe de ces capteurs repose sur l’extrêmement sensibilité des propriétés des NTC (notamment la conductance ou la puissance thermoélectrique) aux substances environnantes97,101. Les travaux de Dai102 expliquent l’origine de la détection électronique par les effets électroniques principalement mis en jeu au niveau des contacts métal-NTC, plutôt que les effets de l’adsorption sur la longueur des NTC. Les avantages principaux résident la dimension nanométrique des capteurs et leur grande sensibilité103. La reconnaissance spécifique des éléments à détecter repose généralement la fonctionnalisation des NTC, par adsorption (revêtement polymère) ou par formation de liaisons covalentes99,100.
I. 3. 5. Thermique
Par leurs propriétés remarquables de conduction thermique, les NTC sont intéressants pour le transport d’énergie thermique au sein de dispositifs en voie de miniaturisation, pour les applications thermoélectriques en particulier104,105,106. De plus, la puissance thermoélectrique se caractérise par son extrême sensibilité à l’environnement des NTC (gaz, pression) de sorte la conception de détecteurs de gaz ou de pression exploitent cette propriété physique107,108.
I. 4. Stratégies d’intégration des NTC
La problématique majeure dans la conception de dispositifs demeure l'intégration des NTC au sein d’architectures données, par un procédé fiable à grande échelle, assurant le contrôle de la position et de l'orientation de NTC de propriétés déterminées.
Dans cette perspective, on distingue deux types d'approches alternatives :
− la manipulation de NTC synthétisés (approche post-croissance) ;
− la croissance dite localisée de NTC qui consiste à réaliser la croissance directement sur le substrat impliqué dans la fabrication de dispositifs nanotechnologiques.
Globalement, les méthodes développées font appel aux techniques génériques de fabrication à l’échelle micro-/nanométrique (par exemple : photolithographie, lithographie électronique, méthodes de réplication par contact physique109). Le but de cette partie est de dégager les principaux axes de recherche explorés pour chacune des deux approches d’intégration.
I. 4. 1. Intégration par manipulation post-synthèse
Les progrès réalisés dans les voies de synthèse et de purification – sélection aboutissent à la production d’échantillons de NTC, de caractéristiques (nombre de paroi, diamètre et longueur) données. Les échantillons de NTC produits se présentent le plus souvent sous la forme de suspensions : celles-ci permettent de mettre en oeuvre divers procédés de manipulation, qui impliquent le contrôle des forces, de courte ou de longue portée, qui régissent le comportement des NTC.