NEMS : Systèmes NanoÉlectroMécaniques Expliqués — Caractéristiques Clés et Applications

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

Ils constituent le niveau avancé de miniaturisation après les MEMS (MicroElectroMechanical Systems) qui traitent généralement des composants entre 1 et 100 nanomètres de taille.

Les NEMS possèdent plusieurs attributs fascinants. Ils peuvent fournir un accès aux fréquences fondamentales dans la gamme des micro-ondes, des sensibilités de force au niveau de l'attonewton, des capacités calorifiques bien en dessous du yoctocalorie, des masses actives dans la gamme du femtogramme, une sensibilité de masse au niveau des molécules individuelles — la liste est longue.

Les NEMS contiennent principalement des dispositifs comme des actionneurs, capteurs, résonateurs, poutres, capteurs et 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. C'était 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 nanolayer qui contenait des films d'or d'une épaisseur de 10 nm. Cependant, le premier MOSFET avec une oxyde de grille de 10 nm n'est arrivé qu'en 1987.

Illustration d'un MOSFET, montrant le corps (B), la source (S), la grille (G) et le drain (D).

L'invention des MOSFETs multi-grilles en 1989 a permis à plusieurs entreprises, dont Intel, IBM, AMD et Samsung Electronics, de créer des microprocesseurs et des cellules de mémoire toujours plus petits.

Le procédé VLSI (intégration à très grande échelle) a rendu possible la combinaison de 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 liaison sont tous des dispositifs VLSI. Avant l'invention du procédé VLSI, la plupart des circuits intégrés ne pouvaient effectuer qu'un nombre limité de tâches.

Microprocesseur 80486 (des années 1990) avec plus d'un million de transistors

Le 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 dispositifs les plus fabriqués de l'histoire. En 2018, environ 13 sextillions (soit 13 mille billions) de MOSFETs avaient été fabriqués.

Comment les Dispositifs NEMS Sont-Ils Fabriqués ?

Les NEMS peuvent être fabriqués en utilisant deux approches complémentaires :

Approche « Top-down » (descendante)

Elle utilise des techniques de microfabrication conventionnelles, telles que la lithographie par faisceau d'électrons ou optique et les traitements thermiques, pour construire les dispositifs. Bien qu'elle offre un meilleur contrôle sur les structures résultantes, elle est limitée par la résolution de la technique utilisée.

Dans cette approche, les matériaux de départ sont des structures relativement grandes comme des cristaux de silicium. Généralement, des couches de semiconducteurs gravées ou des films minces métalliques sont utilisés pour fabriquer des dispositifs NEMS tels que nanobâtonnets, nanofils et nanostructures structurées.

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

Approche « Bottom-up » (ascendante)

Elle utilise les caractéristiques chimiques des molécules pour les organiser ou les assembler dans la conformation désirée. 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'elle offre un contrôle limité sur le processus de fabrication, on peut construire des structures beaucoup plus petites sans gaspiller beaucoup de matériau comparé aux approches top-down.

L'approche bottom-up se trouve aussi dans la nature. Par exemple, les systèmes biologiques exploitent les forces chimiques pour produire les structures cellulaires nécessaires à la vie. Les chercheurs tentent d'imiter ce comportement de la nature pour créer des grappes de certains atomes qui peuvent s'auto-assembler en structures utiles.

Un bon exemple de telles approches est la fabrication de nanotubes de carbone utilisant une technique de polymérisation catalysée par métal.

Matériaux Utilisés pour la Fabrication des 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, mécaniquement configurable, optiquement clair, et en général, non-toxique, inerte et non-inflammable.

Puisqu'il peut former un joint étanche avec le silicium, il peut être intégré dans les NEMS, configurant à la fois les caractéristiques électriques et mécaniques. Les forces adhésives du polydiméthylsiloxane fonctionnent mieux sous des environnements à humidité variable et possèdent un coefficient de frottement inférieur comparé au silicium.

Le faible coefficient de frottement et l'hydrophobicité du polydiméthylsiloxane en font un matériau parfait à incorporer dans la recherche NEMS. Il gagne également en attention dans la technologie NEMS en raison de sa fabrication peu coûteuse et efficace en temps.

Des études montrent que le taux de dégradation du polydiméthylsiloxane sous la lumière, la chaleur et les radiations 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 du carbone, spécifiquement le graphène et le nanotube de carbone, sont largement utilisés dans la technologie NEMS. Leurs caractéristiques répondent directement aux exigences des NEMS. Par exemple, les conductivités semi-conductrices et métalliques des allotropes du carbone leur permettent de fonctionner comme transistors.

En plus des avantages mécaniques des allotropes du carbone, les propriétés électriques du graphène et des nanotubes de carbone permettent leur utilisation dans plusieurs composants des NEMS. La résistance physique du graphène et des nanotubes de carbone satisfait aux exigences de contrainte plus élevées. Ainsi, ils sont principalement utilisés dans le développement technologique NEMS.

Alors que les NEMS en graphène peuvent fonctionner comme capteurs de masse et de force, les NEMS en nanotubes de carbone ont été largement utilisés dans les nanomotors (qui génèrent des forces de l'ordre du piconewton), les commutateurs et les oscillateurs à haute fréquence.

3. Machines Biologiques

Illustration de nanorobots luttant contre le cancer

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

Certaines sont responsables de la production d'énergie et d'autres de l'expression des gènes. Elles pourraient jouer un rôle crucial en nanomédecine. Par exemple, elles pourraient être utilisées pour détecter et détruire les cellules tumorales.

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

Bien que les éléments proposés des BioNEMS, tels que les nanorobots et les assembleurs moléculaires, soient bien au-delà des capacités actuelles, plusieurs études ont donné des résultats prometteurs pour de futures applications.

Applications

Les NEMS servent de technologie habilitante, fusionnant les sciences de la vie avec l'ingénierie de manière qui n'est pas actuellement réalisable avec les techniques à l'échelle microscopique. Ils auront 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. En considérant la longueur de grille des transistors dans les dispositifs CPU ou DRAM, l'échelle de longueur critique des circuits intégrés est déjà en dessous de 50 nanomètres. Les MOSFETs en silicium récents sont basés sur des transistors à effet de champ à ailettes qui utilisent des procédés 10 nm et 7 nm.

Automobile :

Les nanomatériaux, tels que les nanosheets, nanofibres, nanotubes, nanofils et nanobâtonnets, offrent plusieurs avantages dans le secteur automobile. Par exemple, les nano-additifs peuvent améliorer significativement la durée de vie des pneus, ainsi que la résistance à l'abrasion, la résistance au roulement et l'adhérence sur sol mouillé. Les NEMS sont aussi la clé pour améliorer la performance des piles à combustible des futures générations de voitures à hydrogène.

Communications :

Grâce à des propriétés mécaniques uniques (permettant des fréquences de résonance élevées et une accordabilité haute fréquence), les résonateurs NEMS, y compris les résonateurs en graphène, fournissent une base prometteuse pour de futurs systèmes de communication ultra-rapides. Cependant, la plupart des développements dans ce domaine sont actuellement confinés aux modèles théoriques, simulations et expériences en laboratoire.

Électrode en graphène pour résonateurs NEMS piézoélectriques | 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 tailles différentes, prévenant le colmatage dans un système microfluidique.

Stockage et Production d'Énergie :

La nanotechnologie offre de grandes promesses pour augmenter la durée de vie et les performances des batteries lithium-ion. Elle a aussi le potentiel d'améliorer la densité de puissance, raccourcir le temps de recharge, ainsi que réduire le poids et la taille tout en améliorant la stabilité et la sécurité des batteries.

De plus, la recherche se poursuit pour utiliser des dispositifs électrochimiques à l'échelle nanométrique, comme les cellules galvaniques ou à combustible, pour produire de l'énergie. Ce sont des bio-nano-générateurs qui tirent l'énergie du glucose sanguin dans un corps vivant (de la même manière que le corps génère de l'énergie à partir de la nourriture).

Il y a aussi de la recherche 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 planes en silicium traditionnelles.

Marché Mondial et Avenir

Le marché actuel des dispositifs NEMS est à ses débuts. Il est segmenté en nanotweezers, nanorésonateurs, gyroscopes, nanocapteurs, nanorobots, nanotweezers, et autres minuscules composants.

Une croissance robuste est attendue dans les années à venir, attribuée aux avantages des NEMS, tels que leur haute fréquence de résonance, leur faible consommation d'énergie, leurs multiples fréquences sur une seule puce, et la réduction de la taille et du coût des circuits intégrés.

La recherche et le développement dans le domaine des nanomatériaux et de la nanotechnologie 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 dominant le marché.

Questions Fréquemment Posées

Quelle est la différence entre MEMS et NEMS ?

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

Les NEMS (systèmes nanoélectromécaniques), en revanche, sont l'étape logique suivante 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 des NEMS ?

Les NEMS ont des propriétés uniques et intéressantes, qui s'écartent grandement de leur prédécesseur MEMS. Par exemple, ils peuvent avoir :

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

De quoi sont faits les nanocapteurs ?

Les nanocapteurs sont faits de nanomatériaux unidimensionnels tels que les nanotubes et les nanofils.

Ces minuscules dispositifs mesurent des caractéristiques physiques comme le volume, la concentration, la température, la pression, ou les forces électriques et magnétiques. Les lectures de nanocapteurs les plus courantes incluent les signaux mécaniques, vibrationnels, optiques ou électromagnétiques.