Révolutionner la nanotechnologie : des cavités photoniques qui s’auto-assemblent au niveau atomique

Dans un nouveau Nature papier, deux approches nanotechnologiques convergent en employant une nouvelle génération de technologie de fabrication. Il combine l’évolutivité de la technologie des semi-conducteurs avec les dimensions atomiques permises par l’auto-assemblage.

Un objectif central de l’optique et de la photonique quantiques est d’augmenter la force de l’interaction entre la lumière et la matière pour produire, par exemple, de meilleurs photodétecteurs ou sources de lumière quantique. La meilleure façon d’y parvenir est d’utiliser des résonateurs optiques qui stockent la lumière pendant une longue période, la faisant ainsi interagir plus fortement avec la matière. Si le résonateur est également très petit, de sorte que la lumière soit concentrée dans une minuscule région de l’espace, l’interaction est encore renforcée. Le résonateur idéal stockerait la lumière pendant une longue période dans une région de la taille d’un simple atome.

Défis de la miniaturisation des résonateurs

Les physiciens et les ingénieurs se demandent depuis des décennies comment fabriquer de petits résonateurs optiques sans les rendre très coûteux, ce qui équivaut à se demander jusqu’où un dispositif semi-conducteur peut être petit. La feuille de route de l’industrie des semi-conducteurs pour les 15 prochaines années prévoit que la largeur la plus petite possible d’une structure semi-conductrice ne sera pas inférieure à 8 nm, soit une largeur de plusieurs dizaines d’atomes.

Recherche innovante de DTU Electro

L’équipe derrière un nouveau journal en Nature, le professeur agrégé Søren Stobbe et ses collègues de DTU Electro ont démontré l’année dernière des cavités de 8 nm, mais ils proposent et démontrent désormais une nouvelle approche pour fabriquer une cavité auto-assemblée avec un vide d’air à l’échelle de quelques atomes. Leur journal’ Cavités photoniques auto-assemblées avec confinement à l’échelle atomique détaillant les résultats est publié aujourd’hui (6 décembre) dans la revue Nature.

L’expérience expliquée

Pour expliquer brièvement l’expérience, deux moitiés de structures en silicium sont suspendues à des ressorts, bien que dans un premier temps, le dispositif en silicium soit fermement fixé à une couche de verre. Les dispositifs sont fabriqués selon la technologie conventionnelle des semi-conducteurs, de sorte que les deux moitiés sont distantes de quelques dizaines de nanomètres. Lors de la gravure sélective du verre, la structure est libérée et n’est plus suspendue que par les ressorts. Comme les deux moitiés sont fabriquées si près l’une de l’autre, elles s’attirent en raison des forces de surface. En concevant soigneusement la conception des structures de silicium, le résultat est un résonateur auto-assemblé avec des espaces en forme de nœud papillon à l’échelle atomique entourés de miroirs en silicium.

ENCADRÉ : Forces de surface

Il existe quatre forces fondamentales connues : les forces gravitationnelles, électromagnétiques et nucléaires fortes et faibles. Outre les forces dues aux configurations statiques, par exemple la force électromagnétique d’attraction entre les particules chargées positivement et négativement, il peut également y avoir des forces dues aux fluctuations. De telles fluctuations peuvent être d’origine thermique ou quantique, et elles donnent naissance à des forces de surface telles que la force de Van der Waals et la force de Casimir, qui agissent à des échelles de longueur différentes mais sont enracinées dans la même physique sous-jacente. D’autres mécanismes, tels que les charges électrostatiques de surface, peuvent s’ajouter à la force de surface nette. Par exemple, les geckos exploitent les forces de surface pour s’accrocher aux murs et aux plafonds.

« On est loin d’un circuit qui se construit complètement. Mais nous avons réussi à faire converger deux approches qui jusqu’à présent suivaient des voies parallèles. Et cela nous a permis de construire un résonateur en silicium avec une miniaturisation sans précédent », explique Søren Stobbe.

Combiner les approches descendantes et ascendantes

Une approche – l’approche descendante – est à l’origine du développement spectaculaire que nous avons observé avec les technologies de semi-conducteurs à base de silicium. Ici, en gros, vous partez d’un bloc de silicium et travaillez à la fabrication de nanostructures à partir de celui-ci. L’autre approche – l’approche ascendante – consiste à essayer d’assembler un système nanotechnologique. Il vise à imiter des systèmes biologiques, tels que des plantes ou des animaux, construits grâce à des processus biologiques ou chimiques. Ces deux approches sont au cœur même de ce qui définit les nanotechnologies. Mais le problème est que ces deux approches étaient jusqu’à présent déconnectées : les semi-conducteurs sont évolutifs mais ne peuvent pas atteindre l’échelle atomique, et même si les structures auto-assemblées fonctionnent depuis longtemps à l’échelle atomique, elles n’offrent aucune architecture pour les interconnexions avec le monde extérieur.

L’avenir de l’auto-assemblage dans la nanotechnologie

« Ce qui serait intéressant, ce serait si nous pouvions produire un circuit électronique qui se construit tout seul, tout comme ce qui arrive aux humains au cours de leur croissance, mais avec des matériaux semi-conducteurs inorganiques. Ce serait un véritable auto-assemblage hiérarchique. Nous utilisons le nouveau concept d’auto-assemblage pour les résonateurs photoniques, qui peuvent être utilisés dans l’électronique, la nanorobotique, les capteurs, les technologies quantiques et bien plus encore. Nous serions alors réellement en mesure d’exploiter tout le potentiel de la nanotechnologie. La communauté des chercheurs est encore loin de réaliser cette vision, mais j’espère que nous avons fait les premiers pas », déclare Guillermo Arregui, qui a co-supervisé le projet.

ENCADRÉ : Comment cela a été fait

L’article détaille trois expériences que les chercheurs ont réalisées dans les laboratoires du DTU :

1. Pas moins de 2 688 dispositifs répartis sur deux micropuces ont été fabriqués, chacun contenant une plate-forme qui s’effondrerait sur un mur de silicium à proximité – ou ne s’effondrerait pas, en fonction des détails de la surface, de la constante du ressort et de la distance entre la plate-forme et le mur. Cela a permis aux chercheurs de dresser une carte des paramètres qui conduiraient – ​​ou non – à un auto-assemblage déterministe. Seuls 11 appareils ont échoué en raison d’erreurs de fabrication ou d’autres défauts, un nombre remarquablement bas pour un nouveau processus d’auto-assemblage.
2. Les chercheurs ont fabriqué des résonateurs optiques auto-assemblés dont les propriétés optiques ont été vérifiées expérimentalement et l’échelle atomique a été confirmée par microscopie électronique à transmission.
3. Les cavités auto-assemblées ont été intégrées dans une architecture plus grande composée de guides d’ondes, de ressorts et de coupleurs photoniques auto-assemblés pour créer les circuits de micropuces environnants au cours du même processus.

Faire progresser l’auto-assemblage dans la nanofabrication

En supposant qu’une combinaison des deux approches soit possible, l’équipe de DTU Electro a entrepris de créer des nanostructures qui dépassent les limites de la lithographie et de la gravure conventionnelles, même si elles n’utilisent rien d’autre que la lithographie et la gravure conventionnelles. Leur idée était d’utiliser deux forces de surface, à savoir la force de Casimir pour attirer les deux moitiés et la force de Van der Waals pour les faire coller ensemble. Ces deux forces sont ancrées dans le même effet sous-jacent : les fluctuations quantiques (voir l’encadré Faits).

Les chercheurs ont créé des cavités photoniques qui confinent les photons dans des entrefers si petits qu’il était impossible de déterminer leur taille exacte, même avec un microscope électronique à transmission. Mais les plus petits qu’ils ont construits ont une taille de 1 à 3 atomes de silicium.

Défis et perspectives de l’auto-assemblage

« Même si l’auto-assemblage veille à atteindre ces dimensions extrêmes, les exigences de la nanofabrication n’en sont pas moins extrêmes. Par exemple, les imperfections structurelles sont généralement de l’ordre de plusieurs nanomètres. Néanmoins, s’il y a des défauts à cette échelle, les deux moitiés ne se rencontreront et ne se toucheront qu’au niveau des trois défauts les plus importants. Nous repoussons vraiment les limites ici, même si nous fabriquons nos appareils dans l’une des meilleures salles blanches universitaires au monde », déclare Ali Nawaz Babar, doctorant au Centre d’excellence NanoPhoton de DTU Electro et premier auteur du nouveau papier.

« L’avantage de l’auto-assemblage, c’est qu’on peut réaliser de petites choses. Vous pouvez créer des matériaux uniques dotés de propriétés étonnantes. Mais aujourd’hui, vous ne pouvez plus l’utiliser pour tout ce que vous branchez sur une prise de courant. Vous ne pouvez pas le connecter au reste du monde. Vous avez donc besoin de toute la technologie habituelle des semi-conducteurs pour fabriquer les fils ou les guides d’ondes permettant de connecter au monde extérieur tout ce que vous avez auto-assemblé.

Relier les approches nanotechnologiques

L’article montre un moyen possible de relier les deux approches nanotechnologiques en employant une nouvelle génération de technologie de fabrication qui combine les dimensions atomiques permises par l’auto-assemblage avec l’évolutivité de semi-conducteurs fabriqués avec des méthodes conventionnelles.

« Nous n’avons pas besoin d’aller chercher ces cavités par la suite et de les insérer dans une autre architecture de puce. Cela serait également impossible en raison de sa petite taille. Autrement dit, nous construisons quelque chose à l’échelle d’un atome déjà inséré dans un circuit macroscopique. Nous sommes très enthousiasmés par cette nouvelle ligne de recherche et beaucoup de travail nous attend », déclare Søren Stobbe.