Procédés de fabrication des nano-objets

Outre la simple miniaturisation recherchée en électronique, les nano-objets sont au cœur de toutes les attentions pour la mise au point de matériaux présentant des propriétés originales... Leurs procédés de fabrication sont classés schématiquement selon deux approches. L'une est dite descendante ou « top-down » : il s'agit de fabriquer des nano-objets par réduction de taille d'un matériau jusqu'à l'échelle nanométrique. La seconde, dite ascendante ou « bottom-up », correspond à la démarche inverse : on part d'atomes ou de molécules qu'on assemble.

Procédés TOP-DOWN

En électronique, le procédé utilisé classiquement pour graver les circuits intégrés est la lithographie optique (ou photolithogravure). Elle consiste à graver le dessin du circuit dans un support de silice. L'enjeu étant de réaliser des circuits toujours plus petits, le plus petit motif gravé en production avait une taille de 90 nm en 2004 [1]. Et, en février dernier, IBM a annoncé avoir gravé des circuits de 29,9 nm [2]. Il semble toutefois qu'on atteigne là les limites de la miniaturisation par ce procédé, parce que la longueur d'onde même des rayons utilisés (193 nm pour l'UV lointain) ne permet pas une résolution plus fine. La lithographie optique devra donc céder la place à des procédés faisant appel à des faisceaux de rayons X, d'ions ou même d'électrons [3].

La gravure peut aussi être utilisée pour créer des motifs nanométriques à la surface d'un matériau. On parle alors d'un substrat nanostructuré. Les proprétés de surface qui peuvent en résulter sont très importantes, comme l'illustre parfaitement l'effet lotus qui désigne le comportement super-hydrophobe des feuilles de la plante du même nom : par la présence de nanoreliefs à la surface des feuilles, les gouttes d'eau qui s'y déposent conservent une forme quasi sphérique, elles n'adhèrent pas à la feuille et donc ne la mouillent pas [4]. Cet effet intéresse les industriels qui voient en perspectives des tissus imperméables, des bétons hydrofugés, des surfaces autonettoyantes (les gouttes d'eau glissant emportent avec elles les dépôts).

Procédés BOTTOM-UP

Même si la réalisation d'une brouette moléculaire [5] représente une avancée importante vers la manipulation de la matière atome par atome dans le but de construire un jour des nano-machines, elle reste toutefois anecdotique. Les techniques actuellement à l'étude pour l'assemblage d'atomes, de molécules ou d'agrégats passent surtout par des procédés physiques, chimiques ou mécaniques.

Les poudres sont déjà utilisées depuis plusieurs années dans divers secteurs de l'industrie [6]. Elles permettent par exemple la fabrication « en masse et à un coût relativement peu élevé de pièces d'automobile de forme complexe et de grande précision » [7]. Cette transformation repose sur un procédé appelé frittage, qui consiste à traiter (sans les fondre) des poudres metalliques pour les transformer en pièces solides. La quête de matériaux nanostructurés offrant des propriétés nouvelles conduit les chercheurs à tester l'introduction dans cette technique de poudres dont les grains présentent des structures nanométriques ou sont eux-mêmes de taille nanométrique. Le broyage à haute énergie (ou mécanosynthèse), par exemple, est un procédé mécanique appliqué aux poudres qui provoque l'apparition de structures nanométriques à l'intérieur même des grains [8].

Les nanopoudres constituent également une alternative à la gravure pour créer des revêtements aux propriétés nouvelles [9]. Un aérosol existe déjà sur le marché qui permet d'obtenir l'effet lotus grâce à « une combinaison de nanoparticules avec des polymères hydrophobes et différentes sortes de cire. Après pulvérisation, les nanostructures se forment d'elles-mêmes par auto-organisation lors du séchage » [10]. Les approches top-down et bottom-up peuvent aussi être associées, certains travaillant en effet à réaliser des dépôts de nanoparticules sur des substrats déjà nanostructurés [11].

L'exploration des procédés d'élaboration, de dépôt et d'assemblage des nano-objets est en fait extrêmement active et diversifiée. On peut encore citer la chimie sol-gel, la croissance en plasma, l'épitaxie par jet moléculaire [12], la combustion auto-propagée, la synthèse en milieu supercritique, le dépôt physique en phase gazeuse (PVD)... Cette liste de noms suffit à illustrer la diversité des processus de transformation physiques ou chimiques mis en œuvre [13][14]. Certains procédés s'intéressent particulièrement aux associations entre métaux, céramiques et polymères pour former des nanocomposites. Ainsi, les fullerènes, molécules sphériques et creuses de carbone pure, déjà étudiées pour leurs propriétés intrinséques, offrent encore d'autres perspectives lorsqu'on leur adjoint des particules métalliques [15].

La plupart de ces protocoles sont en cours d'expérimentation pour en déterminer les potentialités, en étudier les paramètres en vue de mettre au point les matériaux ou les technologies de demain. Mais certains de ces protocoles ne quitteront pas le laboratoire, parce qu'ils ne permettent pas de garantir l'homogénéité requise pour une exploitation industrielle ou simplement ne permettent pas la production à grande échelle. C'est ce critère d'homogénéité que mettent en avant les deux témoignages de start-up « nano » recueillis pour le Journal du CNRS : l'une fabrique des capteurs utilisant une couche sensible faite de nanoparticules [16], l'autre produit des substrats de nitrure de gallium (GaN) pour l'opto- et la microélectronique [17]. Dans le cas des nanotubes de carbone, on dispose toutefois de deux types de synthèse possibles, garantissant tantôt la production massive (méthodes moyenne température) tantôt l'homogénéité (méthodes haute température), qui ont toutes deux donné lieu à des applications industrielles.

Schéma récapitulatif

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Références

1 [2]. Circuit intégré [3]. Wikipédia.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Circuit_int%C3%A9gr%C3%A9 [3]

2 [4]. IBM research demonstrates path for extending current chip-making technique [5]. IBM, 20 février 2006.
http://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/19260.wss [5]

3 [6]. La lithographie, clé de la miniaturisation [7]. In Le nanomonde, de la science aux applications, Clefs CEA n°52, Été 2005.
http://www.cea.fr/fr/Publications/clefs52/tableau-E.pdf [7]

4 [8]. Effet lotus : quand la nature a horreur de l'eau [9]. In Matières et objets, CNRS Thema n°5, 4e trimestre 2004.
http://www2.cnrs.fr/presse/thema/376.htm [9]

5 [10]. G. JIMENEZ-BUENO, S. STOIKOVIC, X. BOUJU, G. RAPENNE, C. JOACHIM. La brouette moléculaire [11]. Centre d'Élaboration de Matériaux et d'Études Structurales, 11 juillet 2005.
http://www.cemes.fr/r2_rech/r2_sr2_gns/th3_3_1_wheel.htm [11]

6 [12]. Métallurgie des poudres [13]. La Lettre de l'Agence Rhône-Alpes pour la Maîtrise des Matériaux Numéro 8, Octobre / Décembre 2003.
http://www.agmat.asso.fr/test3/actualites/lettre/numero/2003/lettre%20n%... [13]

7 [14]. Métallurgie des poudres [15]. Canada, Centre de la technologie de l'énergie de CANMET, 10 mai 2004.
http://www.nrcan.gc.ca/es/etb/ctec/cetc01/htmldocs/factsheet_powder_meta... [15]

8 [16]. Sophie GALDEANO. Influence des conditions de broyage sur la distribution de nanoparticules magnétiques (Fe,Co) dans une matrice de cuivre [17]. Thèse, 10 décembre 2001.
http://www-llb.cea.fr/theses/galdeano_2001.pdf [17]

9 [18]. Revêtements nanopoudres [19]. Belgique, CRIF-WTCM, 2006.
http://www.crif.be/defaultPage.php?id=608 [19]

10 [20]. L'effet Lotus sous forme d'aérosol [21]. Futura-Sciences, 09 mars 2003.
http://www.futura-sciences.com/news-effet-lotus-sous-forme-aerosol_1789.... [21]

11 [22]. Fabrice IMPÉRIALI. Nanomonde : les clés pour comprendre [23]. In La déferlante « nano », Le Journal du CNRS n°189, octobre 2005.
http://www2.cnrs.fr/presse/journal/2477.htm [23]

12 [24]. Comment se forme un film nanométrique d'oxyde ? [25]. Phases Magazines n°24, juillet 2000.
http://www-drecam.cea.fr/ComScience/Phases/phases_24/p24article2.html [25]

13 [26]. Matériaux nanostructurés : élaboration et propriétés [27]. In Journées de la Matière Condensée, Société Française de Physique, 2 septembre 2004.
http://jmc9.u-nancy.fr/form_colloque.php?titre=Mat%E9riaux%20nanostructu... [27]

14 [28]. Colloque sur les innovations dans les matériaux frittés [29]. Commission thématique Poudres et matériaux frittés, 3-5 juillet 2001.
http://commissionpmf.ifrance.com/commissionpmf/cr/poitiers.doc [29]

15 [30]. Sels à base de fullerènes et de radicaux organiques [31]. Centre de recherche Paul Pascal.
http://www.crpp.u-bordeaux.fr/ext/article.php3?id_article=144 [31]

16 [32]. Camille LAMOTTE. Nanomeps : nanoparticules, maxi débouchés [33]. Le Journal du CNRS n°189, octobre 2005.
http://www2.cnrs.fr/presse/journal/2470.htm [33]

17 [34]. Marine CORNIOU. Lumilog a toujours le vent en poupe [35]. Le Journal du CNRS n°189, octobre 2005.
http://www2.cnrs.fr/presse/journal/2467.htm [35]