Dans la course à la miniaturisation, les méthodes classiques de la microélectronique semblent sur le point d'atteindre leurs limites. Mais, les réponses proposées par l'électronique moléculaire sont encourageantes et l'Etat d'Israël aspire à jouer un rôle important dans ce domaine.
Cet article a été préparé par Nathalie Mayer à partir du rapport "L'électronique moléculaire en Israël" réalisé par Florent Thieblemont, du département Matériaux et Interfaces du Weizmann Institute of Science, en liaison avec le service pour la Science et la Technologie de l'ambassade de France en Israël ; nous les remercions pour leur collaboration.
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Glossaire :
[1] Chimisorption : adsorption d'une molécule sur une surface, ici le substrat, avec création d'une véritable liaison chimique.
[2] Photolithographie : ensemble des opérations permettant de délimiter l'extension des matériaux sur la surface d'un substrat.
[3] Surfactant : de la compression anglaise de "surface active agent", composé qui modifie la tension superficielle entre deux surfaces.
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La préoccupation constante de l'industrie électronique est de réduire toujours plus la taille de ses composants.Mais, après une cinquantaine d'années de course effrénée à la miniaturisation, les techniques de fabrication classiques semblent sur le point d'atteindre leurs limites. Alors, pour faire face à une demande, toujours d'actualité, de composants de plus en plus petits, la filière s'apprête à passer à l'échelle nanométrique. Diverses voies sont envisagées, parmi lesquelles celle de l'électronique moléculaire. L'idée : utiliser des molécules en tant que partie active de composants électroniques. L'Etat d'Israël, représentant actuellement l'un des centres mondiaux de la microélectronique, aspire logiquement à jouer un rôle important dans ce nouveau domaine.
Composant fondamental de l'électronique, le transistor peut être utilisé en tant qu'interrupteur ou en tant qu'amplificateur. Dans le premier cas, le courant passe soit à une valeur élevée, soit à une valeur faible, représentant les états binaires 1 ou 0 du codage informatique. Dans le second cas, un signal de sortie élevé peut être engendré à partir d'un signal d'entrée faible. En microélectronique, le type de transistor le plus répandu est le transistor à effet de champ à grille isolée MOSFET (Metal-Oxyde-Semicoductor Field Effect Transistor)(Voir "Source, drain et grille : caractéristiques essentielles des transistors" en fin d'article). C'est en combinant les transistors avec d'autres composants que les ingénieurs parviennent à créer les circuits logiques qui composent les processeurs. Plus le nombre de transistors est élevé, plus le processeur sera "intelligent".
Les molécules au secours de l'électronique
Aujourd'hui, les industriels fabriquent des processeurs d'à peine quelques centimètres carrés intégrant des centaines de millions de transistors. Jusqu'alors, la miniaturisation de ces composants n'a pas posé de problème majeur, aussi bien d'un point de vue technique qu'économique. Mais, en flirtant avec les dimensions nanométriques, les choses pourraient évoluer dans le mauvais sens. Des limites physiques semblent même apparaître : l'homogénéité du dopage devient difficile à obtenir, le rétrécissement de l'oxyde de grille donne l'occasion à des phénomènes quantiques de s'exprimer, la densité de composants sur un circuit intégré est limitée par des problèmes de dissipation de chaleur, etc. Il devient donc nécessaire de trouver de nouveaux systèmes capables de réaliser les mêmes fonctions.
L'une des solutions envisagées pour contourner les problèmes de miniaturisation rencontrés par l'industrie de l'électronique est celle proposée par l'électronique moléculaire. Au point de départ, l'idée que pour élaborer des composants de dimensions nanométriques, il serait plus naturel, plutôt que de "sculpter" des matériaux massifs, d'utiliser des molécules organiques qui, par essence, ont une taille de l'ordre du nanomètre.
Des molécules jouant le rôle de composants électroniques ? C'est possible. Dès 1974, Aviram et Ratner montrent, de façon théorique, qu'une simple molécule peut présenter un effet redresseur, caractéristique essentielle d'une diode. Mais longtemps, les recherches sur le sujet restent limitées, du fait notamment des difficultés de synthèse de telles molécules et du manque d'outils capables de manipuler et ensuite de sonder les structures moléculaires obtenues. Avec la récente apparition de technologies comme l'AFM (Atomic Force Microscopy) ou la STM (Scanning Tunneling Microscopy), le problème est aujourd'hui surmonté.
Pour étudier le transport électrique au travers de structures moléculaires, il existe deux grandes approches. La première met en oeuvre une mesure électrique au travers d'une jonction électrode / monocouche organique / électrode, la seconde au travers d'une jonction électrode / molécule unique / électrode. Pour obtenir de telles jonctions, les ingénieurs ont recours à diverses techniques. Dans le cas de la jonction électrode / monocouche organique / électrode et concernant le premier contact, ils peuvent ainsi procéder par autoassemblage. L'électrode n'étant autre que le substrat sur lequel les molécules sont greffées, il suffit d'immerger ce substrat dans une solution de la molécule souhaitée et d'activer la chimisorption [1] par chauffage ou par ultraviolet. Les molécules viennent alors former sur le substrat un assemblage ordonné et compact.
Les molécules non adsorbées chimiquement sont ensuite rincées. L'autoassemblage permet d'obtenir une couche unique. Le second contact de la jonction électrode / monocouche organique / électrode est plus problématique car le dépôt d'un métal - celui constituant la seconde électrode - peut facilement endommager les molécules. Mais, des techniques comme l'évaporation indirecte par faisceau d'électrons, le LOFO (Lift-On Float-On, voir plus loin) ou l'utilisation de métal liquide peuvent apporter des solutions.
Dans le cas de la jonction électrode / molécule unique / électrode, le challenge est de créer deux électrodes espacées de quelques nanomètres. Une prouesse inaccessible à la photolithographie [2] seule. Dans un premier temps, les ingénieurs doivent donc préparer une pièce métallique comportant un pont étroit entre les deux électrodes, pont qui sera ensuite fracturé de façon contrôlée d'où le nom de jonction à cassure. L'exposition à des molécules en solution ou sous forme gazeuse permet alors l'adsorption d'une molécule unique entre les deux surfaces fracturées.
Vers des composants moléculaires
Les chercheurs impliqués dans l'étude de l'électronique moléculaire se penchent aussi sur la question de l'élaboration de fils électriques. C'est en effet dans les années 1990 que la preuve a été faite de la conductance de structures très étroites et longues formées d'assemblages de molécules : les fils électriques moléculaires. Les molécules susceptibles d'être employées dans ce type de structures sont constituées d'alternances de liaisons carbones simples et doubles (voire triples). La délocalisation de telles liaisons facilite en effet le transfert de charges au travers de la molécule. Dans la visée des scientifiques : le fullerène et les fameux nanotubes de carbone.
Les diodes moléculaires, telles que décrites par Aviram et Ratner en 1974, intéressent également les chercheurs. Pour présenter un effet redresseur, les molécules doivent avoir la structure suivante : une partie donneur électronique d'un côté et une partie accepteur électronique reliées par un pont (chaîne insaturée). L'effet rectificateur est dû au fait que par définition, le donneur aura bien plus tendance à donner un électron qu'à en accepter un. Ainsi, sous tension positive, les électrons circuleront naturellement de la cathode vers l'anode. Mais, sous tension négative, la probabilité que la circulation s'établisse sera infime. Même si ce mécanisme est parfois remis en cause, de nombreuses études ont montré de façon pratique l'effet rectificateur de certaines molécules comme celle de C16H33-Q3CNQ placée entre deux électrodes d'aluminium.
Les dispositifs présentant une NDR (Negative Differential Resistance), c'est-à-dire que dans une certaine plage de leur caractéristique, le courant diminue lorsque la tension augmente, sont aussi réalisables à l'aide de molécules. Ils peuvent être utilisés pour des applications de switch et notamment pour des stockages de mémoire. D'autres dispositifs utilisant une force appliquée, électrique ou mécanique, pour changer la conformation d'une molécule et entraîner du même coup un changement de l'état, on ou off, du courant sont aussi à l'étude.
De multiples recherches en Israël
En Israël, les centres de recherche se positionnent d'ores et déjà sur de nombreux thèmes de l'électronique moléculaire. A l'université hébraïque de Jérusalem tout d'abord, les chercheurs étudient notamment les propriétés de conduction des molécules d'ADN et de ses dérivés. Ces derniers sont en effet considérés comme de bons candidats pour les applications de fils électriques moléculaires. De plus, la haute spécificité des séquences d'ADN et leurs propriétés d'autoassemblage sont particulièrement adaptées à la création de réseaux sur lesquels d'autres composants moléculaires pourraient être intégrés. De quoi entrouvrir une porte vers une "électronique toute moléculaire". Un autre laboratoire développe de son côté de nouvelles approches pour greffer des monocouches directement sur du silicium (sans oxyde) et étudie la formation et les propriétés de monocouches autoassemblées sur mercure.
A l'institut de technologie de Haïfa, plusieurs grands thèmes sont à l'étude. Un premier concerne la compréhension du transport électrique au travers des jonctions hybrides semi-conducteur / molécules / métal et plus exactement la façon dont les molécules et leurs interactions avec les électrodes affectent le transport électrique. Un second thème concerne le problème du second contact à établir sur les monocouches autoassemblées. Objectif : trouver des méthodes de dépôt métallique qui n'endommagent pas les monocouches, qui soient reproductibles et qui conduisent à des applications technologiques. Le challenge est notamment de déterminer le métal le plus approprié à un contact avec les molécules. Un troisième grand thème touche la synthèse de matériaux composites polymères conjugués / matériaux inorganiques et leur intégration dans des dispositifs électroniques. L'utilisation de surfactant [3] et de silice par exemple, permet d'incorporer les polymères conjugués dans des structures lamellaires, cubiques ou cylindriques qui seront, elles-mêmes, intégrées dans l'architecture de transistors à effet de champ (comme le MOSFET par exemple).
Du côté de l'université de Tel Aviv, les scientifiques mènent des recherches plus fondamentales qui visent à comprendre la physique et la chimie des jonctions électriques à molécule unique. Car les propriétés thermophysiques, par exemple, de telles jonctions peuvent affecter drastiquement leur stabilité et leurs performances. D'autres études visent à développer des outils numériques et théoriques pour préciser la façon dont les électrons sont transmis au travers des jonctions moléculaires. Un laboratoire de l'université de Tel Aviv a même mis au point un dispositif offrant un support pour les mesures courant-tension de monocouches autoassemblées et pouvant servir de plate-forme pour des transistors moléculaires.
Une équipe de l'Institut Weizmann réfléchit quant à elle à la possibilité de placer des molécules d'ADN sur un substrat avec une réactivité plus importante et mieux contrôlée. Une autre équipe de l'Institut travaille sur les jonctions semi-conducteur / monocouche organique / métal avec pour objectif de comprendre comment les électrons passent au travers des molécules. Ce même laboratoire a par ailleurs mis au point la méthode LOFO qui permet de déposer délicatement un métal (Au ou Al) à la surface de molécules. Elle consiste à évaporer ce métal sur un substrat en verre au travers d'un masque pour obtenir de petites plaques métalliques. Ces plaques sont ensuite détachées du verre grâce à une solution d'acide fluorhydrique et sont introduites dans une solution leur permettant de flotter. Elles sont finalement pêchées en plongeant le substrat comportant la monocouche dans la solution et en le ressortant. Un troisième laboratoire de l'Institut Weizmann mène des recherches sur les procédés d'autoassemblage moléculaires combinés à des réactions chimiques aux interfaces pour construire des structures supramoléculaires assez complexes. C'est ainsi qu'un procédé permettant d'empiler rapidement des couches organiques bien ordonnées avec un parfait contrôle du nombre de couches déposées a été mis au point. Enfin, un dernier laboratoire étudie les nanotubes de carbone afin de tirer avantage notamment de leurs propriétés mécaniques et électriques en vue de développer des dispositifs pour l'électronique moléculaire.
L'intérêt grandissant pour les recherches dans le domaine de l'électronique moléculaire et la diversité des études menées en Israël montrent bien à quel point le pays est actif dans ce domaine. Cependant, même si des jonctions moléculaires ont déjà révélé être capables de fonctions électroniques basiques, la route vers leurs applications dans des circuits intégrés semble encore longue. Les chercheurs devront notamment lever quelques problèmes épineux tels que la stabilité thermique, la formation de contacts ou la reproductibilité. Ainsi, certains prédisent déjà que les premières applications commerciales impliqueront plutôt des dispositifs hybrides mêlant semi-conducteurs et molécules.
Le point sur :
Source, drain et grille : caractéristiques essentielles des transistors
Le MOSFET est le type de transistor le plus utilisé dans les applications de la microélectronique. Bien que d'autres transistors fonctionnent d'après des principes différents, ils requièrent tous les mêmes caractéristiques essentielles : source, drain et grille, dans le même rôle conceptuel que dans celui du MOSFET.
Le MOSFET est constitué d'un substrat cristallin de semi-conducteur (Si) dopé positivement, avec de part et d'autre, deux zones dopées négativement. Ces deux zones correspondent à la source et au drain du transistor. Entre ces deux zones se trouve une grille métallique, séparée du substrat par un oxyde de grille isolant.
Tant qu'aucun courant n'est appliqué au niveau de la grille, aucun courant ne peut circuler entre la source et le drain. Mais, en présence d'une tension, les électrons minoritaires du Si dopé positivement sont attirés au niveau de la région située sous l'oxyde de grille et forment un tunnel permettant le passage du courant. De quoi expliquer la fonction de dispositif à deux états. La fonction amplificateur provient du fait qu'un faible changement de tension de grille peut entraîner un changement important de conductivité.
