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Univ. Paris-Saclay
Électronique et optique du futur
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  Électronique et optique du futur

Champ optique autour d'un nano bâtonnet d'or de 40 nm de diamètre et 4 µm de longueur, créé par une onde laser incidente. (Équipe LEPO).

Électronique et optique du futur :  Construire un dispositif (électronique, magnétique, photonique, capteur...) à l’échelle atomique (nanomètre) est l’étape ultime de sa miniaturisation. Des transistors à effet de champ de quelques dizaines de nanomètres sont déjà sur le marché. Au laboratoire, les techniques de nanofabrication permettent de réaliser des structures individuelles de quelques atomes ou molécules.

Au-delà de la réduction de taille et de l’augmentation de la densité d’intégration qui en résulte, il apparaît aussi à cette échelle des propriétés nouvelles, souvent liées à des effets quantiques, qui peuvent être exploitées. Comprendre le comportement de ces "nano-objets", maîtriser la réalisation de nanostructures ou de dispositifs intégrés, et étudier leurs propriétés forme une thématique de recherche porteuse d’enjeux industriels pour demain.

L’action de l'IRAMIS sur ce thème est orientée vers une connaissance fondamentale du comportement de systèmes atomiques ou moléculaires ainsi que la recherche de nouvelles applications encore insoupçonnées. Une activité importante de l’IRAMIS concerne l’électronique de spin (spintronique), avec en particulier la conception et la réalisation de capteurs de champ magnétiques ultra-sensibles dont les applications sont multiples (contrôle non destructif, sécurité, capteurs de vitesse, capteurs de courant…

 
#189 - Màj : 29/08/2019
 

L'électronique organique et moléculaire vise à développer un traitement de l'information basé sur différents types de nano-objets (molécules, bio-molécules, nanoparticules, nanotubes de carbone, graphène...).

Elle suppose de développer :

  • La synthèse de nouvelles molécules et de nouveaux nano-objets
  • Des méthodes de fonctionalisation chimique de nano-objets (graphène, nanoparticles, nanotubes, C60) pour la formation de matériaux hybrides aux propriétés nouvelles ou améliorées
  • Des méthodes d'assemblage des nano-objets sur surface
  • Des techniques de nano-fabrication permettant de connecter des nano-objets individuels
  • Les mesures de caractérisation associées
  • Des stratégies d'exploitation des propriétés pour la réalisation de nouvelles fonctions
  • Des efforts théoriques pour modéliser les dispositifs étudiés et proposer de nouvelles structures aux propriétés originales.

Dans le cas, illustré ci-contre, d'une molécule individuelle entre deux électrodes espacées de 1 à 3 nm, les objectifs sont de maitriser et comprendre l'interface molécule-métal et les propriétés de la molécule ainsi positionnée. Sur ce principe, des leds à molécule unique ont été récemment étudiées : "Electroluminescence d'un fil moléculaire de polythiophène unique suspendu entre la pointe et la surface d'un microscope à effet tunnel", © Guillaume Schull - IPCMS - CNRS / Université de Strasbourg.

En microélectronique, la mécanique quantique permet d’expliquer les propriétés des matériaux mais l’électrodynamique des circuits reste classique. En revanche, lorsque la taille des dispositifs électroniques devient comparable à celle des atomes ou que l’on explore les propriétés de systèmes à très basse température, une nouvelle situation apparaît : la cohérence quantique électronique s’étend à l’échelle du dispositif entier et peut influencer son comportement collectif, et par là même les concepts macroscopiques de courant, tension, résistance ou capacitance.  

En utilisant la lithographie électronique, les techniques des basses températures et d’ultra-bas bruit, l’IRAMIS conçoit, fabrique et mesure des circuits métalliques ou supraconducteurs dans lesquels les effets quantiques se manifestent dans les quantités électriques macroscopiques.

Ce thème de recherche porte sur l’élaboration et l’étude de

  • matériaux oxydes magnétiques ou multiferroïques* (ferroélectricité associée au magnétisme),
  • la dynamique de l’aimantation dans les nanostructures hybrides et son couplage aux courants de spin (spintronique),
  • le développement de capteurs de champ magnétique ultra-sensibles
  • et la modélisation associée. 

Ces études utilisent de nombreuses techniques maitrisées à l'IRAMIS : croissance de film minces (oxydes en particulier), mesures de transport et magnétiques, diffusion de neutrons (polarisés),... La caractérisation des capteurs magnétiques est réalisée dans une installation "ultra-bas bruit magnétique" spécialement dédiée, indispensable au développement de multiples applications : contrôle non destructif, sécurité, capteurs de vitesse, capteurs de courant… .

Le groupe "Nanomagnétisme et Oxydes (LNO)" du SPEC a son activité entièrement centrée sur cette thématique.

 


*Les matériaux multiferroïques  sont des matériaux multifonctionnels, car ils possèdent simultanément plusieurs propriétés "ferroïques" : ferromagnétisme, ferroélectricité et/ou ferroélasticité. Leurs élaboration en couches minces permet de réaliser des objets fonctionnels, où plusieurs propriétés couplées peuvent être exploitées.

Maîtriser les interactions lumière / matière aux échelles inférieures à la longueur d'onde.

La photonique comprend l’ensemble les sciences et technologies impliquées dans la production de photons, leur propagation et leur absorption par la matière. Les propriétés photoniques de la matière condensée dépendent autant des propriétés intrinsèques de ses constituants (molécules, réseau cristallin,…) que de leur organisation aux échelles nanométriques. Ainsi, la nanophotonique traite des interactions de la lumière avec la matière aux échelles inférieures à la longueur d'onde (la longueur d'onde de la lumière visible se situe entre 400 et 700nm).

Le laboratoire de nanophotonique se concentre sur la plasmonique moléculaire, c'est à dire les différents mécanismes d'interaction photonique entre des molécules conjuguées et des nanostructures métalliques. La conception et le développement de nano-objets hybrides offrant des fonctions photoniques innovantes sont entrepris en combinant les aspects suivants de la nanophotonique:

Les applications visées au travers de projets collaboratifs pluridisciplinaires concernent les domaines des technologies de l’information et de la communication (nanophotonique intégrée, stockage de données), de l’énergie propre (photovoltaique, éclairage froid), du vivant (marqueurs, capteurs et actuateurs optiques), ainsi que des thèmes plus prospectifs tels que la manipulation optique de nano-objets ou la photonique à 1 photon, 1 électron, 1  molécule.

En savoir plus :

Plusieurs équipes de l'IRAMIS sont impliqués dans les calculs de structure électronique (ab-initio, liaisons-fortes, Hückel etc..) et plus généralement dans la modélisation de la matière à l'échelle atomique, ce qui inclut également l'utilisation de méthodes plus phénoménologiques (potentiels empiriques, Hamiltoniens modèles, etc..)

Ces outils de modélisation sont principalement développés et utilisés en physique (spectroscopie, transport, magnétisme), chimie (réactivité, dynamique) et pour l'étude des matériaux (diffusion, croissance, défauts).

L'équipe de "Spectroscopie théorique" implantée au LSI - Laboratoire des Solides Irradiés (Contact Lucia Reining) fait partie du coeur de la structure de l'ETSF  (European Theoretical Spectroscopy Facility).

La thématique "Structure électronique et modélisation atomistique" au sein du SPEC/GMT (contact : Cyrille Barreteau) rassemble 4 axes de recherche :

  • Structure et dynamique
  • Chimie quantique
  • Spectroscopie
  • Transport , magnétisme et corrélations

 

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