NEMS – Systèmes nanoélectromécaniques | Un aperçu simple

Les NEMS (abréviation de NanoElectroMechanical System) sont des dispositifs qui intègrent des fonctionnalités électriques et mécaniques à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire à 100 nanomètres ou moins.

Il s'agit du niveau avancé de miniaturisation après MEMS (MicroElectroMechanical System) qui traite généralement des composants d'une taille comprise entre 1 et 100 nanomètres.

NEMS a plusieurs attributs fascinants. Il peut donner accès à des fréquences fondamentales dans la gamme des micro-ondes, des sensibilités aux forces au niveau de l'attonewton, des capacités thermiques bien inférieures à une yoctocalorie, des masses actives dans la gamme des femtogrammes, une sensibilité de masse au niveau des molécules individuelles - la liste est longue.

Le NEMS contient principalement des appareils tels que des actionneurs, des capteurs, des résonateurs, des faisceaux, des capteurs et des moteurs. Ces composants transforment une forme d'énergie en une autre, qui peut ensuite être facilement mesurée et utilisée.

Premiers exemples de NEMS

Le premier NEMS a été construit par Dawon Kahng et Mohamed M. Atalla aux Bell Labs en 1960. Il s'agissait d'un MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur) avec une épaisseur d'oxyde de grille de 100 nm.

Deux ans plus tard, ils ont réussi à fabriquer un transistor à jonction métal-semiconducteur à base de nanocouches contenant des films d'or d'une épaisseur de 10 nm. Cependant, le premier MOSFET avec oxyde de grille de 10 nm n'est arrivé qu'en 1987.

Une illustration d'un MOSFET, montrant les bornes du corps (B), de la source (S), de la grille (G) et du drain (D).

L'invention des MOSFET multiportes en 1989 a permis à plusieurs sociétés, dont Intel, IBM, AMD et Samsung Electronics, de créer des microprocesseurs et des cellules de mémoire de plus en plus petits.

Le procédé VLSI (Very Large Scale Integration) a permis de combiner des millions de transistors MOS sur une seule puce. Ces circuits intégrés ont été largement adoptés dans les années 1970, permettant le développement de semi-conducteurs complexes et de techniques de communication.

CPU, GPU, RAM, ROM et autres logiques de colle sont tous des périphériques VLSI. Avant l'invention du processus VLSI, la plupart des circuits intégrés ne pouvaient effectuer qu'un nombre limité de tâches.

microprocesseur 80486 (des années 90) avec plus d'un million de transistors 

MOSFET est maintenant considéré comme le bloc de construction de base de l'électronique moderne. Il a été principalement responsable de l'augmentation de la densité des transistors, de l'amélioration des performances et de la réduction de la consommation d'énergie des circuits intégrés depuis les années 1960.

Le MOSFET est également l'un des appareils les plus fabriqués de l'histoire. En 2018, environ 13 sextillions (ou 13 000 milliards) de MOSFET ont été fabriqués.

Comment sont fabriqués les appareils NEMS ?

Le NEMS peut être fabriqué en utilisant deux approches complémentaires :

Approche descendante : Il utilise des techniques classiques de microfabrication, telles que la lithographie par faisceau électronique ou optique et les traitements thermiques, pour construire des dispositifs. Bien qu'il offre un meilleur contrôle sur les structures résultantes, il est limité par la résolution de la technique utilisée.

Dans cette approche, les matériaux de départ sont des structures relativement grandes telles que des cristaux de silicium. Généralement, des couches de semi-conducteurs gravés ou des films minces métalliques sont utilisés pour fabriquer des dispositifs NEMS tels que des nanotiges, des nanofils et des nanostructures à motifs.

Dans certains cas, de gros matériaux sont broyés à l'échelle nanométrique pour augmenter le rapport surface/volume, ce qui améliore finalement la réactivité des nanomatériaux. Le processus de fabrication de nanotubes de carbone utilisant du graphite dans un four à arc est un parfait exemple d'approche descendante.

Approche ascendante : Il utilise les caractéristiques chimiques des molécules pour les organiser ou les assembler dans la conformation souhaitée. Ces approches reposent sur les concepts de reconnaissance moléculaire (interaction spécifique entre deux ou plusieurs molécules) ou d'auto-assemblage moléculaire (sans direction externe).

Bien qu'il offre un contrôle limité sur le processus de fabrication, on peut construire des structures beaucoup plus petites sans gaspiller beaucoup de matériel par rapport aux approches descendantes.

L'approche ascendante peut également être trouvée dans la nature. Par exemple, les systèmes biologiques exploitent les forces chimiques pour produire les structures cellulaires nécessaires à la vie. Les chercheurs essaient d'imiter ce comportement de la nature pour créer des amas de certains atomes qui peuvent s'auto-assembler en des structures utiles.

Un bon exemple de telles approches est la fabrication de nanotubes de carbone à l'aide d'une technique de polymérisation catalysée par un métal.

Matériaux utilisés pour la fabrication de NEMS

1. Polydiméthylsiloxane

Le polydiméthylsiloxane est le polymère organique à base de silicium le plus utilisé. Cet élastomère de silicone est connu pour ses propriétés uniques. Il est thermiquement stable, chimiquement inerte, configurable mécaniquement, optiquement clair et, en général, non toxique, inerte et ininflammable.

Puisqu'il peut former un joint étanche avec le silicium, il peut être intégré au NEMS, configurant à la fois les caractéristiques électriques et mécaniques. Les forces adhésives du polydiméthylsiloxane sont plus performantes dans des environnements humides variables et possèdent un coefficient de friction inférieur à celui du silicium.

Le faible coefficient de friction et l'hydrophobie du polydiméthylsiloxane en font un matériau parfait à intégrer dans la recherche NEMS. Il attire également l'attention dans la technologie NEMS en raison de sa fabrication rapide et peu coûteuse.

Des études montrent que le taux de dégradation du polydiméthylsiloxane à la lumière, à la chaleur et au rayonnement peut être ralenti avec un emballage approprié et une bonne stabilité au vieillissement.

2. Matériaux à base de carbone 

Photo de microscopie à effet tunnel d'un nanotube de carbone à paroi unique | Crédit :NIST

Les allotropes de carbone, en particulier le graphène et les nanotubes de carbone, sont largement utilisés dans la technologie NEMS. Leurs caractéristiques répondent directement à l'exigence de NEMS. Par exemple, les conductivités semi-conductrices et métalliques des allotropes du carbone leur permettent de fonctionner comme des transistors.

En plus des avantages mécaniques des allotropes de carbone, les propriétés électriques du graphène et des nanotubes de carbone leur permettent d'être utilisés dans plusieurs composants de NEMS. La résistance physique du graphène et des nanotubes de carbone répond à des exigences de stress plus élevées. Ainsi, ils sont principalement utilisés dans le développement technologique NEMS.

Alors que le graphène NEMS peut fonctionner comme des capteurs de masse et de force, les nanotubes de carbone NEMS ont été largement utilisés dans les nanomoteurs (qui génèrent des forces de l'ordre de piconewtons), les commutateurs et les oscillateurs haute fréquence.

3. Machines biologiques 

Illustration de nanorobots luttant contre le cancer 

Les machines biologiques, telles que la myosine (qui gère la contraction musculaire), sont les machines macromoléculaires les plus complexes trouvées dans les cellules, généralement sous la forme de complexes multiprotéiques.

Certains d'entre eux sont responsables de la production d'énergie et d'autres de l'expression des gènes. Ils pourraient jouer un rôle crucial dans la nanomédecine. Par exemple, ils pourraient être utilisés pour détecter et détruire les cellules tumorales.

La nanotechnologie moléculaire est un domaine émergent de la nanotechnologie qui explore la possibilité de concevoir des machines biologiques, qui pourraient réorganiser la matière à l'échelle atomique. BioNEMS comprend des éléments structuraux biologiques et synthétiques (de taille nanométrique) pour des applications biomédicales/robotiques. Des nanorobots, par exemple, peuvent être injectés dans le corps pour identifier et réparer les infections.

Alors que les éléments proposés de BioNEMS, tels que les nanorobots et les assembleurs moléculaires, dépassent de loin les capacités actuelles, plusieurs études ont donné des résultats prometteurs pour des applications futures.

Lire :Les nanorobots à ADN programmés peuvent réduire les tumeurs

Applications

NEMS sert de technologie habilitante, fusionnant les sciences de la vie avec l'ingénierie d'une manière qui n'est actuellement pas réalisable avec des techniques à micro-échelle. Cela aura un impact significatif sur diverses industries :

Industrie des semi-conducteurs : Le dispositif semi-conducteur le plus utilisé est le MOSFET. Il représente 99,9% de tous les transistors. Compte tenu de la longueur de grille des transistors dans les dispositifs CPU ou DRAM, l'échelle de longueur critique des circuits intégrés est déjà inférieure à 50 nanomètres. Les MOSFET au silicium récents sont basés sur des transistors à effet de champ à ailettes qui utilisent des processus de 10 nm et 7 nm.

Automobile : Les nanomatériaux, tels que les nanofeuilles, les nanofibres, les nanotubes, les nanofils et les nanotiges, offrent plusieurs avantages dans le secteur automobile. Par exemple, les nano-additifs peuvent améliorer considérablement la durée de vie des pneus, ainsi que la résistance à l'abrasion, la résistance au roulement et la traction sur sol mouillé. Le NEMS est également la clé pour améliorer les performances des piles à combustible des futures générations de voitures à hydrogène.

Communication : En raison de propriétés mécaniques uniques (qui permettent des fréquences de résonance élevées et une accordabilité à haute fréquence), les résonateurs NEMS, y compris les résonateurs au graphène, constituent une base prometteuse pour les futurs systèmes de communication ultrarapides. Cependant, la plupart des développements dans ce domaine se limitent actuellement à des modèles théoriques, des simulations et des expériences de laboratoire.

Électrode en graphène pour résonateurs piézoélectriques NEMS | Crédit image :Université Northeastern 

Secteur médical : Les capteurs NEMS détectent et surveillent les données des patients telles que le niveau d'eau, le niveau de glucose et la présence de diverses protéines et ions. Ces capteurs peuvent être configurés pour identifier des protéines particulières allant de l'albumine humaine aux bêta-2-microglobulines. En plus de la surveillance, ils peuvent séparer des cellules de différentes tailles, évitant ainsi le colmatage dans un système microfluidique.

Stockage et production d'énergie : La nanotechnologie est très prometteuse pour augmenter la durée de vie et les performances des batteries lithium-ion. Il a également le potentiel d'améliorer la densité de puissance, de raccourcir le temps de recharge, ainsi que de réduire le poids et la taille tout en améliorant la stabilité et la sécurité des batteries.

De plus, des recherches sont en cours pour utiliser des dispositifs électrochimiques à l'échelle nanométrique, comme des piles galvaniques ou à combustible, pour produire de l'énergie. Ce sont des générateurs bio-nano qui tirent leur énergie de la glycémie dans un corps vivant (de la même manière que le corps génère de l'énergie à partir de la nourriture).

Des recherches sont également menées sur plusieurs matériaux nanostructurés, en particulier les nanofils, dans le but de développer des cellules solaires plus efficaces et moins chères que celles possibles avec les cellules solaires planaires traditionnelles en silicium.

Marché mondial et avenir

Le marché actuel des appareils NEMS en est à ses balbutiements. Il est segmenté en nanopinces, nanorésonateurs, gyroscopes, nanocapteurs, nanorobots, nanopinces et autres composants minuscules.

Il devrait connaître une croissance robuste dans les années à venir, qui est attribuée aux avantages du NEMS, tels que sa fréquence de résonance élevée, sa faible consommation d'énergie, ses fréquences multiples sur une seule puce et la réduction de la taille et du coût des circuits intégrés.

Lire : Qu'est-ce que le MEMS (système microélectromécanique) ? Types et applications

La recherche et le développement dans le domaine des nanomatériaux et des nanotechnologies sont en cours. Selon les rapports, le marché mondial des NEMS devrait croître à un TCAC de 29%. Il atteindra 108,88 millions de dollars d'ici 2022, l'Amérique du Nord étant en tête du marché.

Foire aux questions

Quelle est la différence entre MEMS et NEMS ?

Les MEMS (Microelectromechanical systems) sont constitués de composants dont la taille varie de 1 µm à 100 µm. Les dispositifs MEMS contiennent généralement une unité centrale de traitement (comme un microprocesseur) et plusieurs composants qui interagissent avec l'environnement (comme des microcapteurs).

Les NEMS (Nanoelectromechanical systems), en revanche, sont la prochaine étape logique de miniaturisation des MEMS. Ces dispositifs intègrent des fonctionnalités mécaniques et électriques à l'échelle nanométrique, strictement entre 1 et 100 nm.

Quels sont les principaux avantages de NEMS ?

Les NEMS ont des propriétés uniques et intéressantes, qui diffèrent grandement de leurs prédécesseurs MEMS. Par exemple, ils peuvent avoir

• Fréquences fondamentales dans la gamme des micro-ondes (environ ∼100 GHz)
• Masse active dans la plage du femtogramme (10 ⁻¹⁵ g)
• Sensibilité de masse jusqu'au niveau des attogrammes (10 ⁻¹⁸ g)
• Sensibilité à la force au niveau attonewton (10 ^-18 Newton)
• Capacités calorifiques bien inférieures à une yoctocalorie (4,184 x 10 ⁺²⁴ J)
• Consommation électrique de l'ordre de 10 attowatts (10 ⁻¹⁸ watts)
• Faible dissipation d'énergie
• Niveau d'intégration extrêmement élevé, approchant 1 012 éléments par centimètre carré

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De quoi sont faits les nanocapteurs ?

Les nanocapteurs sont constitués de nanomatériaux unidimensionnels tels que des nanotubes et des nanofils.

Ces minuscules appareils mesurent des caractéristiques physiques telles que le volume, la concentration, la température, la pression ou les forces électriques et magnétiques. Les lectures de nanocapteurs les plus courantes incluent les lectures mécaniques, vibratoires, optiques ou électromagnétiques.