Nanofil

Un nanofil est une nanostructure, avec le diamètre de l'ordre du nanomètre (10^-9 m). Alternativement, les nanofils peuvent être définis comme des structures qui ont une épaisseur ou un diamètre limité à quelques dizaines de nanomètres ou moins, et une longueur sans contrainte.

La découverte au début des années 1990 des nanotubes de carbone a éveillé l'intérêt pour les structures quasi-unidimesionnelles. Plus récemment, ce sont les limitations rencontrées par les techniques traditionnelles de lithographie utilisées dans la miroélectro\-nique qui ont concentré l'attention sur les structures quasi-unidimensionnelles semiconductrices.

Mais les enjeux et les perspectives que présentent de telles structures dépassent de loin le champ de la microélectronique. Ces objets nanométriques, par leur nature même, appartiennent à un champ de la science où de nombreuses disciplines (physique, biologie, ingénierie) peuvent s'entrecroiser, et la compréhension des phénomènes qu'ils mettent en oeuvre, à la fois en ce qui concerne leur obtention, mais également leur propriétés intrinsèques et leur intégration, soulèvent de nombreuses questions.

Dans une première partie, nous brosserons le portrait des structures quasi-unidimensionnelles, en nous concentrant plus particulièrement sur les nanofils semiconducteurs (NFSC). Dans un deuxième temps, nous décrirons les méthodes et mécanismes qui permettent l'élaboration des NFSC. Dans une dernière partie, nous porterons notre attention sur les enjeux que pose l'intégration de ces nano-objets et nous donnerons quelques exemples d'applications basées sur les nanofils, qui ont déjà été démontrées.

Structures uni-dimensionnelles

Cette section propose une revue de la recherche actuelle ayant pour objet les nanostructures unidimensionnelles (1D) - fils (wires), bâtonnets (rods), courroies (belts), rubans (ribbons), fibres et tubes. Il s'agit pour nous de dresser rapidement un éventail de ces structures. Dans un premier temps, nous nous intéresserons aux structures 1D tubulaires (ou nanotubes), avant de passer en revue les structures 1D pleines (fils et structures qui leur sont apparentées).

Nanotubes et nanostructures tubulaires

Un nanotube - ou nanostructure tubulaire 1D - est une structure 1D constituée de parois entourant un « vide ». La paroi peut être composée d'un plan atomique unique (nanotube monoparoi) ou de l'empilement de plusieurs couches atomiques (multiparoi). Le paradigme d'un tel objet est le nanotube de carbone découvert en 1991 par Iijima^[1]. Mais il existe également des nanotubes pour une large gamme de matériaux, incluant les semiconducteurs^[2],[3], les métaux^[4],[5], ferroélectriques^[6],[7] et magnétiques^[8].

Ils peuvent être produits par enroulement de couches minces ou par croissance axiale en forme enroulée^{[9],[10],[11]}, par revêtement des pores de structures poreuses ou par évidement d'autres structures 1D pleines (comme les nanofils - cf. section nanofils - et plus particulièrement les nanofils coeur-coquille)^[12],[13].

Dans ce dernier cas, l'effet Kirkendall a pu être utilisé en vue d'élaborer des nanotubes de Co₃O₄, ZnAl₂O₄, Ag₂Se, Zn₂SiO₄, Co₃S₄, CuO, CuS ^[14]. Cet effet est un phénomène classique en métallurgie^[15]. Il est la conséquence de la différence des coefficients de diffusion des atomes d'un couple de matériaux, impliquant une diffusion mutuelle mais non réciproque à l'interface des deux matériaux. Prenons par exemple deux matériaux A et B formant une interface. Si les atomes A diffusent à la fois plus vite dans B que dans A lui-même, et que, d'autre part, les atomes de B diffusent moins vite dans A, alors des lacunes apparaissent dans le matériau A près de l'interface et se condensent pour former des vides de Kirkendall.

Structures 1D « pleines »

On peut grosso modo classer les nanostructures quasi-unidimensionnelles « pleines » en deux catégories, les nanowhiskers/wires/rods (nanopoils/fils/bâtonnets) d’une part, les nanorubans/ceintures (nanoribbons/belts) de l’autre, bien que, toutefois, selon les auteurs, cette distinction ne soit pas toujours explicite. Les nanofils ont une section qui peut être considérée comme circulaire en première approximation. (En fait elle est souvent polygonale.) Au contraire, les nanorubans ont une section polygonale dont le petit côté, s, est de longueur bien inférieure à celle du grand côté, d, tous deux étant petits devant la longueur de l’objet L : s < < d < L.

Références