> 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
