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mercredi 31 août 2011

IEEE Nano Conference 2011

> IEEE Nano Conference 2011 - Nanoélectronique : la fabrication en masse (im)possible ?

La nanoélectronique était un sujet de choix à l'IEEE Nano Conférence 2011 étant donné le focus de l'association internationale. Le sujet chaud du moment est bien sur la quête du nouvel interrupteur électronique nanométrique, capable de dépasser la technologie CMOS FET et autorisant la poursuite de la miniaturisation des transistors électroniques. INTEL a annoncé il y a trois mois la commercialisation de ces nouveaux processeurs incluant des transistors de 22 nm de dimension [1]. La future génération, d'une taille de 13 nm, est sur les rails. Mais comment aller encore plus loin ? Sur cette question, les avis divergent. Certains estiment qu'il existe des voies prometteuses, d'autres pensent que cette quête est vaine.

Les solutions actuelles et futures

Robert Chau, d'INTEL avait inauguré la conférence en parlant bien sûr de la dernière avancée de son groupe. Le problème inhérent à la miniaturisation des transistors provient de la difficulté à confiner les charges électriques manipulées. Un autre problème est l'explosion de la consommation énergétique de ces circuits avec la miniaturisation. Pour la nouvelle génération, des matériaux à haute constante diélectrique, les "high - K materials", ont été utilisés. A cela s'est ajoutée la mise en place d'une nouvelle structure pour le transistor, en trois dimensions, le "3D tri-gate". Grâce à ces innovations, INTEL est parvenu à fabriquer en masse ses nouveaux composants.

Dans les laboratoires de recherche, des solutions qui sont étudiées en ce moment dans la quête des technologies "au-delà du CMOS". Le Tunnel - FET, le Spin - FET ou encore le Bis- FET sont des pistes évoquées qui pourraient permettre de remplacer la technologie actuelle. Pour Robert Chau, il s'agit plus de trouver des nouveaux matériaux que de nouvelles structures pour remplacer le silicium et les isolants actuels afin d'introduire de nouvelles propriétés et permettre de dépasser les limitations.

Dans cette quête, souligne Alexander Balandin de l'Université de California Riverside, le graphène peut jouer un rôle essentiel dû à ses propriétés électroniques et thermiques. Pour Balandin, l'avenir hésite encore entre une électronique basé sur le carbone seul (graphène et nanotubes), sur un mélange carbone-silicium ou sur d'autre matériaux aux propriétés électroniques similaires dénommés "Dirac Materials".

Boyan Boyanov, également de chez INTEL, est aussi optimiste. Il souligne qu'en 2000, il était prévu que la limite de 55 nm serait atteinte en 2011. INTEL a démontré que les acteurs ne sont pas doués pour prédire les limites étant donné que les technologies évoluent constamment et permettent de nouvelles solutions. Il a aussi rappelé que les limites prévues de la lithographie ont été dépassées il y a bien longtemps. "Nous y sommes parvenus, avec beaucoup d'argent".

Un problème de taille : la production en masse

Les recherches sont en cours et les solutions semblent presque pléthores. Combien apporteront des solutions concrètes et efficaces ? Il est encore trop tôt pour le dire. Mais ce n'est pas sur ce point que Michael Kelly de l'Université de Cambridge en Angleterre place sa critique de la course pour le nouvel interrupteur. S'il existe des solutions en laboratoire, combien pourront être transposées à l'échelle industrielle ? Dans son intervention intitulée "Non fabricabilité intrinsèque en nanoélectronique" il a donné une réponse simple : aucune.

Pour être fabriqués à l'échelle industrielle, les composants doivent présenter des hautes performances, être fiables, reproductibles, uniformes. Les systèmes doivent aussi présenter une certaine tolérance à la variabilité. Pour Kelly, les structures à l'échelle de quelques nanomètres ne peuvent tout simplement pas garantir ces conditions. Il prend notamment l'exemple des quantums dots de 3 nm produits actuellement qui présentent des variabilités de taille de l'ordre de 20%. Les technologies sont limitées par les méthodes de fabrication mais aussi par des limites physiques intrinsèques dues au changement des propriétés des matériaux à cette échelle.

Il pointe le fait que le passage de la 3D à la 2D lors de la création des premiers circuits intégrés a amener la production de nouveaux systèmes utilisant des propriétés nouvelles mais des technologies similaires. Le passage de la 2D à la 1D voire même 0D amène énormément de nouveaux problèmes d'ordre théorique. Les travaux de R&D sur les phénomènes de transport à une dimension de ces 20 dernières années n'ont pour le moment débouché sur aucun produit commercialisé. Pour Kelly, la limite ultime est posée à 7 nm et essayer d'aller au-delà de la technologie CMOS est impossible à l'échelle industrielle.

Kelly annonce ainsi la fin de la Loi de Moore, prédiction empirique qui veut que le nombre de transistor sur une surface donnée double tous les 18 à 24 mois. Pour le chercheur, ce n'est pas la première fois qu'un tel évènement se produirait dans l'histoire et il ne s'agit pas là non plus d'une catastrophe. Les difficultés techniques à surmonter entrainent des coûts qui pour Kelly sont injustifiés. Boyanov rejoint la critique de Kelly sur certains points. En effet, la résistance des nanotubes de carbone par exemple varie sur deux ordres de grandeurs en fonction du nanotube étudié. Une variabilité liée à l'absence d'un contrôle fin dans leur production.

Boyanov voit une possibilité dans le développement de systèmes adaptatifs, capables de supporter des erreurs et des dysfonctionnements et de s'auto-réparer. La molécule d'ADN présente ces capacités. Le système nerveux aussi. La course à la miniaturisation à l'extrême pourrait ainsi réellement être vaine et la compréhension plus fine des systèmes vivants pourraient alors ouvrir la voie à de nouveaux systèmes plus performants. Comme le dit Boyanov, les grandes avancées ont eu lieu non pas en essayant de remplacer des systèmes existants mais en inventant de nouvelles solutions au même problème. Y aurait-il une autre voie que celle du transistor ?


http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/67517.htm

> IEEE Nano Conference 2011 - La participation américaine aux agences de régulation internationales

Une session de la conférence dédiée aux questions de santé, sécurité et environnement (EHS) était animée par les responsables de la délégation américaine auprès de l'International Standards Organization (ISO) dans le domaine des nanotechnologies. Aux Etats-Unis, l'US Technical Advisory Group sur le sujet est coordonné par l'American National Standards Institute (ANSI) [1]. Il réunit 55 représentants du secteur académique, du gouvernement, des ONG et du secteur privé et est chargé de porter la voix des Etats-Unis au sein du comité de travail ISO/TC 229 sur les nanotechnologies [2].

Pourquoi des standards ?

Steven Brown, le nouveau chef de la délégation américaine à l'ISO/TC 229, suite au départ de Clayton Teague de son poste de directeur du National Nanotechnology Coordination Office du National Nanotechnology Initiative (NNI), a tout d'abord insisté sur le fait que les standards sont nécessaires à la fois pour le développement des activités commerciales mais aussi pour faciliter la communication entre les acteurs et enfin permettre d'assurer une bonne protection de la santé publique et de l'environnement.

Les standards développés par l'ISO peuvent être intégrés dans la législation d'un pays, d'où leur importance, bien que ce ne soit pas le cas aux Etats-Unis. L'adoption des standards de l'ISO se fait au travers d'une procédure codifiée qui prend en moyenne deux ans. Pendant ce temps, des modifications et commentaires sont possibles par chaque pays, modifications qui doivent toutes être discutées. Plus d'une trentaine de pays prennent directement part aux travaux de l'ISO/TC 229. Le vote final se fait sur la base d'une voix par pays. Un système de vote qui pourrait donner un avantage à l'Union Européenne. Mais en matière de standards, il semble que chaque pays défende son pré carré et qu'il n'y a pas de consensus à l'échelle européenne sur ces questions, comme le commente Steve Brown.

Dans le cadre des nanotechnologies, l'adoption de standards est nécessaire mais rendue très difficile du fait que les travaux de recherche sont en cours. Il faut mettre en place des protocoles de mesure et de nouvelles procédures sans pour autant bénéficier d'un recul nécessaire ou de possibilités techniques correspondantes. Quatre groupes de travail ont été mis en place au sein de l'ISO/TC 229, et l'avancement des travaux d'un groupe comme celui sur les questions de santé et sécurité dépend de l'avancement des travaux du groupe sur la terminologie et de celui sur la métrologie. Tous les travaux doivent avancer ainsi doucement et en permanente interaction les uns avec les autres car tous les standards sont à créer.

La position des différents pays et leur intérêt pour la mise en place de ces standards varie. Selon Steve Brown, la Commission Européenne est très demandeuse. Le but est d'assurer le développement responsable des nanotechnologies et de ne pas perdre la confiance du public. Le mot d'ordre est simple : faites les choses bien, faites en sorte que l'introduction de ces nouveaux produits sur le marché se fasse de manière sure.

Le mot d'ordre est simple : faites les choses bien, faites en sorte que l'introduction de ces nouveaux produits sur le marché se fasse de manière sure.

De la difficulté de mesurer...

Pour assurer des standards efficaces, encore faut-il être en mesure de faire des mesures précises. Et c'est souvent là que le bât blesse. Don Baer, du Pacific Northwestern National Laboratory, qui travaille sur ces questions de métrologie, a pointé les écueils qui pavent la route d'une bonne métrologie. "Caractériser les nanomatériaux est une tâche importante, difficile et très intéressante". Le problème est de savoir d'abord ce qui est nano. Ensuite, il s'agit de prendre conscience que les nanomatériaux sont souvent instables dans un environnement donné ; ils s'agrègent, se couvrent de tout un ensemble de molécules, ce qui modifie alors leurs propriétés et leur possible toxicité. Les conditions de manipulation, d'utilisation et de stockage de ces composés peuvent ainsi conduire à de profondes modifications sur leurs propriétés.

Ces dernières varient en fonction de la taille des nanomatériaux. Mais les études récentes conduites par Baer démontrent que ce n'est pas forcément la taille en soit qui importe mais les conséquences d'un changement de taille comme une modification des paramètres de maille ou de la structure cristalline des matériaux, une évolution de leur charge électrique ou encore de leur composition. Ces effets sont pour le moment trop souvent sous-estimés ou dissimulés derrière le seul changement de taille. A cela s'ajoute que les nanomatériaux ne sont "pas tous créés égaux" dans le sens où la fabrication en grande quantité peut conduire à l'obtention d'une forte disparité dans les tailles, la composition ou la pureté des particules et structures produites.

Le travail réalisé à l'ISO prend en compte ces problématiques comme l'a démontré Richard Pleus, responsable de l'ISO/TC 229 WG3 sur la problématique EHS et qui est animé par les Etats-Unis. Il est nécessaire de développer des standards qui permettent de caractériser de manière physico-chimique les nanomatériaux. Le WG3 s'est mis d'accord sur une liste de huit paramètres clés pour caractériser les nanomatériaux qui devrait être publiée par l'ISO début 2012 : distribution de taille, composition, forme, propriétés d'agglomération, stabilité, taille de la surface, chimie de la surface et densité des charges en surface. Cette liste sera accompagnée des différentes méthodes qu'il est possible d'utiliser pour mesurer ces paramètres. Cependant, comme le remarquent Steven Brown et Don Baer, le coût associé à ces mesures - d'un point de vue matériel, mais aussi en termes de compétences et d'expertise requise pour mener à bien ces mesures - rend cette liste sans doute trop longue.

Des standards, et après ?

Si les standards sont utiles et souvent bien utilisés par l'industrie, leur connaissance et utilisation est souvent partielle dans le monde académique. Les différentes études de toxicité produites jusqu'à présent dans le domaine des nanotechnologies ne mentionnent pas de manière formelle quelle est la composition exacte des nanomatériaux utilisés. Pour rendre ces travaux justes, précis, reproductibles et fiables, l'utilisation des standards est une obligation. Les responsables américains ont déjà commencé à proposer aux journaux scientifiques de refuser tout papier présentant des résultats obtenus pour des nanomatériaux dont la caractérisation ne répond pas aux standards et n'est pas clairement présentée.

Il s'agit d'un problème de formation des personnels de recherche et des étudiants mais aussi d'un problème lié au modèle économique de l'ISO dont la consultation des publications de standards est payante. Le manque de connaissance des agences de standardisation internationales pose un autre problème : celui du manque d'experts dans leurs comités. Le panel a fait un appel aux bonnes volontés, les experts travaillant de manière bénévole pour ces agences. Ici, un autre problème est posé : celui de l'absence de la reconnaissance de la participation à ces travaux dans la carrière des chercheurs.

La stratégie américaine encore en suspens

En parallèle de leur implication à l'échelle internationale, les Etats-Unis travaillent aussi à améliorer les connaissances sur les conséquences des nanomatériaux pour la santé, la sécurité et l'environnement. Le plan stratégique du NNI sur ces questions se fait malheureusement toujours attendre depuis janvier 2011, date à laquelle la version de travail avait été soumise à commentaires [3]. Les raisons de ce délai sont multiples.

Les discussions entre la vingtaine d'experts qui travaillent sur le document prennent du temps. Par ailleurs, la responsable de ce dossier, Sally Tinkle, qui oeuvre comme responsable des questions EHS au NNI se trouve en ce moment responsable de l'ensemble du NNI, assurant l'intérim depuis le départ soudain de Clayton Teague au printemps. Les bilans des quatre workshops menés en 2010 pour préparer le document stratégique viennent d'être publiés sur le site du NNI [4]. Le document final de mise à jour de la stratégie NNI EHS ne sera peut-être pas disponible avant la fin de l'année.

 
http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/67518.htm

> IEEE Nano Conference 2011 - Nanoéducation : un défi majeur

Avec des emplois présentant une croissance annuelle de 19%, le vaste domaine des nanotechnologies va faire appel dans les prochaines années à une très forte main d'oeuvre. Les projections font état de 2 millions d'emploi dans le monde d'ici 2015 et jusqu'à 6 millions en 2020. Il s'agit donc pour les responsables des institutions d'enseignement supérieur de mettre en place des programmes de formation efficaces afin de répondre aux futurs besoins de l'industrie dans ce domaine. Une session de la conférence IEEE Nano 2011 avait comme objectif de présenter certaines de ces initiatives aux Etats-Unis.

Les "21st century skills"

Deb Newberry travaille pour le Dakota County Technical College où elle a mis en place en 2004 un cursus de formation de niveau undergrate en deux ans en nanotechnologies. Pour elle qui, dès son plus jeune âge, avait décidé de devenir scientifique suite à l'influence du programme spatial américain, les nanotechnologies doivent reprendre le flambeau. Elles doivent jouer un rôle identique afin d'augmenter l'attrait des carrières scientifiques chez les jeunes. Et pour cela il faut dépasser certains a priori. Les étudiants de Deb ont souvent peur de devoir travailler en "costume de lapin" dans les salles blanches s'ils choisissent une carrière dans les nanotechnologies. Au final, seuls 3% des étudiants formés se retrouvent dans cette situation.

Deb confie aussi qu'il est de plus en plus difficile d'enthousiasmer les jeunes. "Quand on leur montre des images très fines de surfaces sur lesquelles on distingue les atomes de manière individuelle, l'effet obtenu n'est pas à la hauteur de l'exploit technique. Il s'agit d'images en noir et blanc, là où leurs jeux vidéo en 3D font beaucoup mieux pour les impressionner. Il faut du temps pour qu'ils appréhendent ce qu'est l'échelle nanométrique. Ensuite, ils commencent à comprendre la difficulté à réaliser ces images et peuvent apprécier le résultat. Les images de l'espace demandaient beaucoup moins d'investissement !"

La particularité du domaine des nanotechnologies entraine notamment le besoin de traiter d'un grand nombre de sujets d'application. Deb met ainsi l'accent sur un terme à la mode : les "21st century skills". Il s'agit d'un corpus de compétences qui sont attendues aujourd'hui : capacité d'analyse, de gestion de projet, de recherche d'information, de sens critique. "On leur apprend à se demander "pourquoi" plutôt que d'apprendre par coeur des connaissances auxquelles ils peuvent avoir accès rapidement sur internet".

Pour cela, Deb attire l'attention sur les méthodes d'enseignements et les contenus enseignés. Les représentations utilisées dans les livres pour expliquer certains concepts sont parfois limitées voire erronées. Il faut aussi habituer les étudiants à penser à une échelle avec laquelle ils ne sont pas familiers en adaptant des exercices de bases. Elle met aussi un point d'honneur à parler des applications liées aux connaissances apprises. C'est là un point essentiel pour elle afin de s'assurer que le domaine présente un intérêt pour les étudiants, pour qu'ils comprennent à quoi sert leur enseignement et comment ils peuvent l'appliquer. Le fait de mettre la main à la pâte avec une forte composante pratique en laboratoire permet aussi d'assurer cet intérêt.

"L'industrie est mon client", assure Deb, pour qui un programme de formation n'a de sens que s'il conduit à assurer des débouchés professionnels adéquats à ses étudiants. Elle affiche jusqu'à présent un taux de placement de ses étudiants de 100%. Afin de continuer à assurer le flux d'étudiants, elle se déplace dans les lycées pour parler de son programme. Une opération qu'elle trouvait inefficace jusqu'à ce que, récemment, un de ces lycéens à qui elle était venue parler se retrouve dans son programme.

Des besoins énormes en personnel technique

Steve Fonash de la Penn State University a lui aussi monté un programme dédié à la formation de personnel technique pour les industries impliquées dans les nanotechnologies. Son but est également de ne pas se focaliser sur des connaissances mais plus sur un ensemble de compétences permettant à ses étudiants de construire leur future carrière. Celles-ci sont à la fois techniques - instrumentation, mesures, caractérisation, fabrication, avec beaucoup de pratique - que génériques comme la gestion de projet. Le problème auquel il doit faire face est l'image négative associée aux métiers techniques liés à la manufacture, réputés peu demandant intellectuellement. "Cette image est complètement éloignée de ce qu'on attend des techniciens travaillant dans la manufacture de produits avancés. Il y a énormément de défis à résoudre et de possibilités d'évolution de carrière."

Pour être sur que le programme de formation est viable pour l'industrie, Fonash s'est entouré d'un National Industry Advisory Board qui promulgue des conseils sur le contenu de la formation. Cette initiative a aussi été soutenue par un financement de la National Science Foundation. Les cours sont donc disponibles gratuitement sous forme vidéo sur le site internet du programme [1]. Cette accessibilité a permis de le transférer dans d'autres états (Minnesota, New York, etc).

La formation à la sécurité

Les nanotechnologies posent de nouveaux problèmes en termes de sécurité et la formation sur ces questions est essentielle notamment pour les personnels qui vont être amenés à manipuler les nanomatériaux dans leur activité quotidienne. Les deux programmes précédents comportent des modules de sensibilisation à cette problématique. Dominick Fazano de l'Université du Texas à Tyler a travaillé au développement d'un module de formation pour les personnels exposés aux nanomatériaux. Le premier Nanotechnology Safety Training Course monté avec l'aide d'une bourse de l'Occupational Safety and Health Administration (OSHA) du Department of Labor sera disponible d'ici octobre en ligne gratuitement sur le site de l'OSHA [2].

Conclusion

Les intervenants ont insistés sur plusieurs points essentiels : la nécessité de mettre en place des programmes de formation qui répondent à l'attente des futurs employeurs, la nécessité d'avoir une large composante pratique dans ces programmes, le mise en avant des compétences qu'il faut acquérir plutôt que des connaissances. Les liens entre les institutions et le monde industriel doivent se renforcer pour répondre à la demande croissante en personnels formés de manière adéquate. Il est aussi nécessaire de former une nouvelle classe de personnels en plus des experts : des passeurs de frontières. A l'heure où les barrières entre les disciplines scientifiques, notamment dans le cadre des nanotechnologies, s'effritent leur rôle dans la transmission des idées entre les différents acteurs est essentiel pour voir émerger de nouvelles applications et de nouveaux produits.

 

BE Etats-Unis 256 >> 26/08/2011

http://www.bulletins-electroniques.com/be_etatsunis_256.htm

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