Philippe Pareige Professeur Groupe de Physique des Matriaux

• Philippe Pareige: Professeur, Groupe de Physique des Matériaux UMR CNRS 6634 • Classe de Première S 4 du lycée Gustave FLAUBERT • Christophe Lemonnier Professeur de Sciences physiques au Lycée Gustave Flaubert

I. Les présentations. Le chercheur: Philippe Pareige Responsable du GPM: Le Groupe de Physique des Matériaux Université et INSA de Rouen – UMR CNRS 6634

Les élèves de 1ère S 4

L’enseignant: Christophe Lemonnier • Enseigne les sciences physiques depuis 2000. • En collège de 2000 à 2005 • Au lycée Gustave Flaubert depuis 2005.

II. Le sujet choisi: nanosciences et nanotechnologies. 1. Dans les circuits électroniques. Un circuit électronique est constitué de composants (circuits intégrés) eux-mêmes constitués de composants (tels que des transistors par exemple).

Circuit intégré Le circuit intégré (CI), aussi appelé puce électronique, est un composant électronique reproduisant une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes (analogique ou numérique)

Verrou technologique ? Cofondateur de la société Intel, Gordon Moore avait affirmé dès 1965 que le nombre de transistors par circuit de même taille allait doubler, à prix constants, tous les dix-huit mois. Il en déduisit que la puissance des ordinateurs allait croître de manière exponentielle, et ce pour des années. Il avait raison. Sa loi, fondée sur un constat empirique, a été vérifiée jusqu'à aujourd'hui. Il a cependant déclaré en 1997 que cette croissance des performances des puces se heurterait aux environ de 2017 à une limite physique : celle de la taille des atomes. D'ici là, nos ordinateurs seront environ 1 500 fois plus puissants qu'aujourd'hui ! Il existe donc un verrou technologique, lié à la limite de la taille des composants, car il est pour l’instant impossible de créer un composant de taille inférieure à un atome !

Loi de Moore

2. Pour l’énergie. Une nécessité: • Les besoins en énergie ne cessent d’augmenter comme, par exemple, la demande mondiale d’énergie électrique qui va doubler d’ici 2030. • l’utilisation de sources d’énergie plus propres comme par exemple le solaire, pour le stockage et pour le transport de l’électricité. Les scientifiques misent sur les apports potentiels des nanotechnologies dans ces différents secteurs : amélioration des performances des cellules solaires et des piles a combustible, progrès dans la production et le stockage d’hydrogène, diminution des pertes dans le transport de l’électricité, développement de matériaux plus légers et plus résistants, etc. .

III. Visite du GPM. Pour pouvoir étudier les transformations à l’état solide dans les métaux et alliages, le Groupe de Physique des Matériaux comporte, parmi les trois ensembles de bâtiments, un parc instrumental unique en France, dédié aux nanoanalyses. Il comprend : • Des microscopes électronique à balayage ou à transmission, dont la différence se trouve au niveau du mode d’action. • Quatre sondes atomiques tomographiques.

Microscope électronique à transmission

Sonde Atomique tomographique Cette machine analyse les métaux et semi-conducteurs atome par atome. Elle identifie la nature chimique et la position des atomes dans le matériau. Elle permet de reconstruire en 3 D un petit volume de matière (10 x 500 nm 3 ) analysé à l’échelle atomique. Elles sont « customisées » : divers composants y ont été ajoutés pour les rendre plus performantes.

IV. La visite du CNRT de Caen. 1. Le CIMAP (Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique). par Fabrice GOURBILLEAU, responsable de l’équipe NIMPH qui fait partie du, et elle travaille sur les Nanostructures Intégrées pour la Microélectronique et la Photonique.

La microélectronique En microélectronique, ils travaillent pour réduire la taille des diodes à base de silicium, ce qui est devenu une obsession pour beaucoup de chercheurs ! Ils planchent aussi sur le silicium nanostructuré pour les nano mémoires. Pour ces diodes, ils travaillent donc avec du silicium Si, car c’est un matériau abondant et peu coûteux, un grand avantage donc pour la commercialisation. Pour les nano mémoires, ou mémoires flash, appelés aussi RAM. Les transistors sont beaucoup étudiés depuis les années 70, et leur taille est de plus en plus petite, ce qui permet de stocker plus d’information dans un même espace. En simplifiant, les transistors utilisés dans la mémoire flash contiennent deux grilles, une de contrôle et une deuxième, appelée grille flottante, qui est en suspension dans un oxyde, le tout est placé dans un substrat qui contient deux électrodes. En jouant la source, le drain et la grille de contrôle, on peut écrire, garder et effacer les données.

La Photonique • En photonique, l’équipe NIMPH développe des amplificateurs optiques pour les télé communicateurs, sur une application laser pour enlever les tatouages, et sur du silicium nanostructuré pour le photovoltaïque. • Qu’est-ce que les nanoparticules ? Les nanoparticules sont des particules de petite taille, moins de 100 nanomètre, soit plus petit qu’un virus ou qu’une bactérie. Ils sont donc difficiles à manipuler et à utiliser. D’ailleurs, les nanoparticules sont si petites qu’elles ne sont pas filtrées pas le corps humain, donc il faut y faire attention.

Microscope électronique à balayage La microscopie électronique à balayage est une technique de microscopie basée sur le principe des intéractions électrons-matière. Un faisceau d’électrons balaie la surface de l’échantillon à analyser qui , en réponse , réemet certaines particules. Différents détecteurs permettent d’analyser ces particules et de reconstruire une image de la surface. Dans la pratique, au XXI ème siècle, un grand nombre de constructeurs proposent des microscopes à balayage de série dont la résolution se situe entre 1 nm et 20 nm.

La pulvérisation magnétron sert à fabriquer des nanomémoires à base de , nanocristaux de sillicium Si à forte constante diélectrique.

2. Le CRISMAT(laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux). par Christophe Goupil. Celui-ci nous a parlé de la thermoélectricité. Cette science qui n’a pris son essor que très récemment, consiste à produire de l’électricité à partir de chaleur. A cause des rendements peu élevés cette science est longtemps restée en désuétude.

La thermoélectricité Les matériaux thermoélectriques, soumis à un courant électrique, peuvent évacuer de la chaleur d'une source froide et fonctionner comme un réfrigérateur. Ils peuvent aussi produire un courant électrique lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température et fonctionner comme un générateur. La thermoélectricité est soumise à 2 grands principes: L’effet Seebeck qui implique une différence de potentiel dont l’origine est une différence de température. L’effet Peltier qui implique un déplacement de chaleur sous en présence d’un courant électrique. soumise à deux grands principes:

Des applications de la thermoélectricité: Montre thermoélectrique Chaudière Thermogénérateur (spacial) dans l'Automobile dans le Bâtiment

V. Conclusion. • Les points faibles: ØLe vocabulaire était parfois compliqué. ØOn aurait aimé réaliser un objet ou une mesure. ØOn aimerait développer l’échange dans d’autres matières.

• Les points forts: ØLes applications des techniques rencontrées sont en lien avec le monde actuel et le quotidien. ØLes intervenants ont faits des efforts de vulgarisation pour nous faire comprendre le vocabulaire compliqué. ØOn a rencontré des chercheurs de visu. ØOn a découvert le monde de la recherche et des études supérieures.

Remerciements: • Au rectorat et à la DAAC pour avoir permis cet échange. • A Monsieur Philippe Pareige pour nous avoir accompagné durant cet échange et organisé la visite du CNRT. • Au Lycée Gustave Flaubert pour avoir accueilli Monsieur Pareige et financé la sortie du CNRT. • A Fabrice Gourbilleau et Christophe Goupil pour leur accueil au CNRT. • A notre Professeur Monsieur Lemonnier pour nous avoir choisi et permis cet échange.