NANO CHARACTERIZATION
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L’IEMN est un acteur scientifique clé de la mesure à l’échelle nanométrique. Cela est dû à un écosystème de pointe unique, rassemblant le savoir-faire en matière de techniques combinant les avantages des caractérisations électriques et électromagnétiques et la résolution spatiale offerte par les techniques de microscopie champ proche, et à des groupes de recherche abordant un large éventail de sujets nanotechnologiques allant de la nanoscience moléculaire fondamentale aux nanodispositifs RF. La nanocaractérisation est un sujet transversal à l’IEMN – elle est largement utilisée dans les groupes de recherche et relie deux plateformes technologiques établies. Elle traduit également l’orientation de nombreux projets de l’IEMN vers le développement de capacités de nanocaractérisation innovantes.
L’une des motivations de ce thème transverse consiste en la résolution de problématiques à l’interface entre la résolution spatiale et la coloration fréquentielle du DC à l’infra-rouge lointain en combinant les techniques de microscopie à sonde locale et les outils de spectroscopie à large bande, déjà abordés dans le cadre du projet PIA Excelsior. Un autre objectif concerne l’utilisation de ces outils avancés pour aborder des sujets interdisciplinaires dans les domaines des nanostructures et des dispositifs moléculaires, des capteurs et biocapteurs, de l’énergie, des questions environnementales ou encore de la métrologie aux petites échelles. Par ces développements, les groupes de recherche et les plateformes technologiques de l’IEMN visent à accélérer la recherche fondamentale en nanoscience et l’innovation dans l’industrie basée sur les nanotechnologies en établissant des partenariats et une collaboration avec des laboratoires universitaires, industriels et de métrologie, et en promouvant l’innovation et la compétitivité industrielle, tant au niveau national qu’international.
Objectifs généraux :
Développement de techniques pour la caractérisation morphologique / électrique / magnétique / thermique / mécanique / chimique et les mesures quantitatives de nanomatériaux, nanodispositifs et nanosystèmes innovants/intelligents/actifs au-delà de l’état de l’art. À cette fin, nous combinons des recherches scientifiques avec le développement d’instruments matériels basés sur l’expertise de l’IEMN en nanosciences, en génie électrique et en technologies de micro/nanofabrication.
Défi clé n° 1 : Instrumentation – microscopie et spectroscopie simultanées dans un large spectre de fréquences.
Les outils de microscopie sont basés sur la micro/nanomanipulation, la microscopie à force atomique/à effet tunnel (AFM, STM), la microscopie électronique à balayage (SEM), la microscopie à balayage micro-ondes N(SMM), le piégeage optique (THz), couplés à des équipements de spectroscopie tels que des sources et des capteurs RF, GHz à THz, IR à lumière visible (y compris des sources et des capteurs à très faible bruit, voire quantiques). Les objectifs scientifiques consisteront, par exemple, à caractériser les dispositifs électroniques locaux avec une résolution spatiale de l’ordre de 1 à 10 nm au-delà de 40 GHz (NSMM) ; à caractériser les nanomatériaux et dispositifs émergents pour le domaine du photovoltaïque (tels que les pérovskites) avec une résolution temporelle (sub-ps) / spatiale (sub-nm) combinée avec le STM ou l’AFM.
Défi clé n° 2 : Sondes avancées basées sur les micro et nanotechnologies.
La combinaison des micro et nanotechnologies peut apporter une contribution majeure aux microscopies à sonde locale, par exemple en permettant le contrôle des caractéristiques métalliques formant une sonde micro/nanofabriquée originale/optimisée, ou en concevant des géométries de substrat spécifiques. Les réalisations récentes et les projets en cours à l’IEMN sont, par exemple, des sondes « ground-signal-ground » miniaturisées pour les mesures micro-ondes sur puce (Excelsior) ; des métasurfaces pour la spectroscopie THz locale ; des sondes de microscopie à force atomique à haute fréquence (PIA Vibbnano, vibrations d’émergence ANR, transfert industriel à Vmicro) ; et des prototypes de sondes de spectroscopie Raman à amplification par effet de pointe (TERS) (laboratoire commun avec HORIBA France). La recherche de sondes avancées comprendra également l’instrumentation de spectroscopie intégrée dans l’environnement de la sonde pour les mesures RF (laboratoire commun IEMN-STMicroelectronics). De tels développements ambitionnent le développement d’outils de caractérisation en rupture, impliquant des caractérisations à l’échelle nanométrique, avec des retombées sous forme de créations d’entreprises (« spin-off »).
Défi clé n° 3 : Applications – résoudre les problèmes scientifiques et instrumentaux dans des environnements contrôlés (vide, température, liquide).
De nouveaux domaines d’instrumentation sont nécessaires pour relever les défis scientifiques à venir. Par exemple, la recherche sur l’informatique et les communications quantiques nécessiteront une adaptation des outils de microscopie micro-ondes (AFM ou/et STM) sous champ magnétique et à basse température. Par ailleurs, la biologie est confrontée aux problèmes de l’imagerie à grande vitesse et en profondeur des cellules vivantes dans les milieux liquides, tandis que la bio-détection (par exemple, au niveau capteurs ou l’utilisation de substrats à motifs chimiques) ou le développement de matériaux liés à l’énergie (par exemple, les micro-batteries) nécessiteront des mesures mécaniques ou électriques combinées dans les liquides. L’objectif de ce défi sera de développer des mesures dans de tels environnements contrôlés. Un problème particulier consistera à obtenir des mesures quantitatives ou étalonnées en fonction des normes de métrologie, en liaison avec les laboratoires de métrologie (LNE, METAS, VSL, NPL, PTB) au niveau européen et le NIST aux Etats-Unis.
