L'exploration de l'infiniment petit a été rendue possible par le progès de la microscopie.

Brève histoire des atomes.

La notion d'atome comme constituant élémentaire des corps remonte aux philosophes grecs de l'antiquité vers 500/400 av. JC.

Cette idée est ensuite développée par le poëte latin Lucrèce dans son oeuvre "De natura rerum" soit en français "De la nature". Lucrèce tente de montrer de façon logique l'existence des atomes : s'il n'existait pas des particules insécables, on pourrait continuer à l'infini la division de la matière, et chaque particule serait un univers à part entière, ce qui est inadmissible pour le poète philosophe. Il doit donc exister des particules irréductibles à toute division.

Au début du 19' siécle ce sont les chimistes, en particulier John Dalton (1766-1844) et Louis Joseph Gay-Lussac (1778-1850) qui réintroduisent la notion d'atome, pour interpréter quantitativement les réactions chimiques.

A la fin du 20' siècle c'est au tour des physiciens d'introduire la notion d'atome pour interpréter la théorie cinétique des gaz.

Mais le doute subsiste et c'est Jean Perrin (1870-1942) qui apportera des preuves irréfutables de l'existence des atomes.

Le diamètre d'un atome est d'environ 0,5 nm et il faudra encore attendre pour les observer directement.

On voit les atomes pour la première fois vers 1950 à l'aide du microscope ionique de champ, puis vers 1990, un nouvel instrument, le microscope à effet tunnel permet non seulement de voir les atomes mais de les manipuler.

Le microscope à effet tunnel.

L'effet tunnel est compris depuis 1920. Il va permettre la conception d'un nouveau type de microscope atteignant une résolution de 0,1 nm. Le microscope à effet tunnel (MET), inventé en 1981, "visualise" le nuage électronique autour des atomes d'une surface métallique.

Mais de plus on va bientôt se rendre compte que ce nouvel instrument permet de manipuler des atomes individuels. En 1990, Donald M. Eigler (IBM) déplace un atome de xénon sur une surface de carbone à l'aide de la pointe d'un MET, puis il parvient à écrire le sigle IBM avec 35 atomes de xénon. L'opération a lieu à la température de l'hélium liquide afin de prévenir la migration des atomes de xénon sur le substrat.

A la température ambiante des atomes déposés sur un substrat se déplacent et se regroupent pour former des agrégats. Ceux-ci eux mêmes ne sont pas toujours stables et des agrégats de quelques milliers d'atomes peuvent migrer.

Du fait des déplacements des atomes et des agrégats sur une surface, les premières écriture à l'échelle atomique disparaissaient plus ou moins rapidement. Pour écrire ou graver de façon durable, il faut introduire des réactions chimiques qui lient les atomes adsorbés aux atomes du substrat.

Une des premières véritable nano-gravure a été sur une surface de silicium à l'aide d'un réactant, le ferrocène. La pointe du MET ionise le ferrocène qui réagit avec la surface de silicium pour former du siliciure de fer. On a obtenu ainsi des traits de 3 nm de large soit 5 à 6 atomes.

Une des applications les plus immédiates des nanotechnologies est le stockage d'informations. On a pu obtenir (années 1990) des plots magnétiques de 200 nm sur un substrat par lithographie électronique. La taille de ces plots est bien plus petite aujourd'hui. On se rapproche des prévisions du physicien américain Richard Feynmann. Si on pouvait réaliser des nano-cubes de 5 atomes de coté, chaque cube stockant un bit d'information, on pourrait stocker quasiment tous le savoir du monde dans un grain de sable (1 mm3).

Quand on diminue progressivement la taille d'un matériau, à partir d'une certaine limite on n'a plus les propriétés du solide. Un domaine important de la physique est l'étude de ces agrégats dont les propriétés sont intermédiaires entre celles de l'atome et celles du solide. Les propriétés varient selon que l'agrégat est libre (en suspension dans un gaz) ou déposé sur une surface.

On est capable de fabriquer des agrégats libre par vaporisation puis détente d'un jet de particules depuis environ 1980.

Les agrégats les plus étudiés sont les agrégats métalliques qui ont des propriétés optiques très intéressantes dépendant de leur taille.

Les agrégats de carbone ont également fait l'objet de nombreuses recherches. Ils existent à l'état naturel dans les poussières interstellaires.

Etude des interactions agrégats-surface.

Méthodes de dépôts d'agrégats sur une surface. La forme de l'agrégat dépend de la structure de la surface. Cas des agrégats de forme fractale.

Très bref aperçu des applications possibles des nanotechnologies.

L'exploration de l'infiniment petit a été rendue possible par le progès de la microscopie.

Brève histoire des atomes.

La notion d'atome comme constituant élémentaire des corps remonte aux philosophes grecs de l'antiquité vers 500/400 av. JC.

Cette idée est ensuite développée par le poëte latin Lucrèce dans son oeuvre "De natura rerum" soit en français "De la nature". Lucrèce tente de montrer de façon logique l'existence des atomes : s'il n'existait pas des particules insécables, on pourrait continuer à l'infini la division de la matière, et chaque particule serait un univers à part entière, ce qui est inadmissible pour le poète philosophe. Il doit donc exister des particules irréductibles à toute division.

Au début du 19' siécle ce sont les chimistes, en particulier John Dalton (1766-1844) et Louis Joseph Gay-Lussac (1778-1850) qui réintroduisent la notion d'atome, pour interpréter quantitativement les réactions chimiques.

A la fin du 20' siècle c'est au tour des physiciens d'introduire la notion d'atome pour interpréter la théorie cinétique des gaz.

Mais le doute subsiste et c'est Jean Perrin (1870-1942) qui apportera des preuves irréfutables de l'existence des atomes.

Le diamètre d'un atome est d'environ 0,5 nm et il faudra encore attendre pour les observer directement.

On voit les atomes pour la première fois vers 1950 à l'aide du microscope ionique de champ, puis vers 1990, un nouvel instrument, le microscope à effet tunnel permet non seulement de voir les atomes mais de les manipuler.

Le microscope à effet tunnel.

L'effet tunnel est compris depuis 1920. Il va permettre la conception d'un nouveau type de microscope atteignant une résolution de 0,1 nm. Le microscope à effet tunnel (MET), inventé en 1981, "visualise" le nuage électronique autour des atomes d'une surface métallique.

Mais de plus on va bientôt se rendre compte que ce nouvel instrument permet de manipuler des atomes individuels. En 1990, Donald M. Eigler (IBM) déplace un atome de xénon sur une surface de carbone à l'aide de la pointe d'un MET, puis il parvient à écrire le sigle IBM avec 35 atomes de xénon. L'opération a lieu à la température de l'hélium liquide afin de prévenir la migration des atomes de xénon sur le substrat.

A la température ambiante des atomes déposés sur un substrat se déplacent et se regroupent pour former des agrégats. Ceux-ci eux mêmes ne sont pas toujours stables et des agrégats de quelques milliers d'atomes peuvent migrer.

Du fait des déplacements des atomes et des agrégats sur une surface, les premières écriture à l'échelle atomique disparaissaient plus ou moins rapidement. Pour écrire ou graver de façon durable, il faut introduire des réactions chimiques qui lient les atomes adsorbés aux atomes du substrat.

Une des premières véritable nano-gravure a été sur une surface de silicium à l'aide d'un réactant, le ferrocène. La pointe du MET ionise le ferrocène qui réagit avec la surface de silicium pour former du siliciure de fer. On a obtenu ainsi des traits de 3 nm de large soit 5 à 6 atomes.

Une des applications les plus immédiates des nanotechnologies est le stockage d'informations. On a pu obtenir (années 1990) des plots magnétiques de 200 nm sur un substrat par lithographie électronique. La taille de ces plots est bien plus petite aujourd'hui. On se rapproche des prévisions du physicien américain Richard Feynmann. Si on pouvait réaliser des nano-cubes de 5 atomes de coté, chaque cube stockant un bit d'information, on pourrait stocker quasiment tous le savoir du monde dans un grain de sable (1 mm3).

Quand on diminue progressivement la taille d'un matériau, à partir d'une certaine limite on n'a plus les propriétés du solide. Un domaine important de la physique est l'étude de ces agrégats dont les propriétés sont intermédiaires entre celles de l'atome et celles du solide. Les propriétés varient selon que l'agrégat est libre (en suspension dans un gaz) ou déposé sur une surface.

On est capable de fabriquer des agrégats libre par vaporisation puis détente d'un jet de particules depuis environ 1980.

Les agrégats les plus étudiés sont les agrégats métalliques qui ont des propriétés optiques très intéressantes dépendant de leur taille.

Les agrégats de carbone ont également fait l'objet de nombreuses recherches. Ils existent à l'état naturel dans les poussières interstellaires.

Etude des interactions agrégats-surface.

Méthodes de dépôts d'agrégats sur une surface. La forme de l'agrégat dépend de la structure de la surface. Cas des agrégats de forme fractale.

Très bref aperçu des applications possibles des nanotechnologies.