Les nanotubes de carbone se développent tous azimuts

Composants électroniques, capteurs chimiques, revêtements conducteurs ou adhésifs, nanosystèmes électromécaniques... L'inventivité des chercheurs ne faiblit pas pour exploiter les propriétés inédites des nanotubes de carbone.

Pendant l'industrialisation, la recherche continue. Que des start-up ou des grands groupes envisagent de fabriquer des nanotubes de carbone à une échelle quasi-industrielle (voir notre numéro 2940, page 72) ne signifie pas que les chercheurs ont cessé de s'y intéresser. Bien au contraire, leurs étonnantes propriétés continuent de stimuler les laboratoires, qui travaillent sur des sujets aussi divers que l'électronique, les détecteurs de gaz, les écrans plats, les revêtements anti-usure, les surfaces adhésives... Difficile de dire ce qui, à terme, débou- chera sur des applications pratiques. Mais pour le moment, l'éventail des possibilités ne cesse de s'élargir... ce qui contribue à entretenir l'effervescence.

Un bon candidat pour des composants électroniques

En fait, pour envisager des utilisations pratiques, les chercheurs doivent s'intéresser au détail de la structure de leur objet favori. Un nanotube de carbone (NTC) n'est autre qu'une feuille de graphite enroulée en cylindre. Mais à une échelle minuscule : le diamètre du nanotube ne mesure que quelques nanomètres (ou dizaines de nanomètres). Sa longueur peut atteindre quelques microns. En fait, le cylindre est constitué d'une ou plusieurs parois concentriques, et la manière dont s'effectue l'enroulement donne des géométries différentes (hélicité). Ainsi, selon son hélicité, un nanotube monoparoi sera conducteur électrique, comme un métal, ou bien semiconducteur. Une propriété déterminante pour les spécialistes de l'électronique, qui cherchent des solutions pour les composants de demain. « Les nanotubes semiconducteurs, outre leur taille réduite, ont plusieurs atouts. Leur caractéristique, la largeur de la bande d'énergie interdite, ne dépend que de leur diamètre, qui est assez bien maîtrisé. Ils peuvent supporter de très fortes densités de courant. Et ils sont chimiquement inertes », souligne Vincent Derycke, chercheur au laboratoire d'électronique moléculaire du CEA de Saclay (service de physique de l'état condensé).

C'est pourquoi de nombreuses études ont été menées pour réaliser la brique de base de l'électronique - le transistor - à l'aide de nanotubes de carbone. Des équipes universitaires (universités de Delft et de Stanford), mais aussi des laboratoires industriels (IBM, Infineon) ont montré les bonnes performances des transistors à base de NTC. D'autres composants de base ont été obtenus, notamment des diodes. Récemment, des chercheurs de General Electric, en suspendant un nanotube de carbone entre deux plots de silicium, ont fabriqué une diode qui atteint les limites théoriques de performances. Ils lui ont aussi trouvé des propriétés photovoltaïques intéressantes.

Aujourd'hui, les études se poursuivent pour optimiser ces composants de base, et surtout pour trouver le moyen de les assembler pour réaliser des circuits logiques. Au CEA, le laboratoire d'électronique moléculaire travaille sur le dépôt sélectif de nanotubes en dispersion dans un solvant, sur une surface préalablement traitée pour favoriser certaines zones. L'autre voie consiste à faire croître directement les NTC sur le substrat du futur composant, grâce à des catalyseurs localisés aux endroits visés.

En plein essor depuis des années, la recherche sur les applications des NTC en électronique ménage encore des surprises. Ainsi, alors que les dispositifs mis au point jusqu'à présent mêlent des nanotubes à des matériaux plus traditionnels (silicium...), des chercheurs américains (université de Californie à SanDiego, université Clemson en Caroline du Sud) ont trouvé le moyen de fabriquer un transistor « tout nanotube de carbone ». Là encore, c'est la géométrie qui fait la différence : le transistor tout NTC est un nanotube en forme de Y, dans lequel le flux d'électrons peut être contrôlé dans chacune des deux branches. Une « surprise » pour les chercheurs eux-mêmes, puisque c'est en essayant un nouveau catalyseur de croissance des nanotubes qu'ils ont observé par hasard ces formes inédites.

D'autres voies d'utilisation des NTC en électronique sont explorées. Fujitsu étudie l'interconnexion entre les couches dans les circuits intégrés. En effet, avec la miniaturisation toujours plus poussée des puces, les interconnexions en cuivre vont poser des problèmes d'ici à 2010, estime Fujitsu. Le groupe japonais espère réaliser ses futurs « câblages » avec des nanotubes, qui supportent des densités de courant 1 000 fois supérieures à celle du cuivre. Il indique avoir fabriqué une puce expérimentale comportant un millier d'interconnexions à base de NTC. Fondée par un chercheur de Harvard, la start-up Nantero développe quant à elle des composants électroniques baptisés NRam, pour Nanotube Ram : des mémoires Ram non volatiles à base de nanotubes. Dans une NRam, les nanotubes sont suspendus entre deux supports, et basculent d'une position haute (état 0) à une position basse (état 1) sous l'action d'un champ électrique. Ses promoteurs estiment qu'une NRam pourra se substituer avantageusement à différentes sortes de mémoires (DRam, SRam, mémoires flash), notamment dans les équipements portables.

Enfin, comme les propriétés mécaniques des nanotubes de carbone sont tout aussi étonnantes que leurs propriétés électriques, plusieurs équipes tentent de les intégrer dans des dispositifs du type Nems (nano-electromechanical system). Le CEA a par exemple mis au point un interrupteur à l'échelle nanométrique, basé sur un nanotube. Le dispositif est constitué d'un nanotube en suspension au-dessus d'une tranchée métallique. Quand on crée une polarisation électrique entre le NTC et l'électrode située en dessous, le nanotube subit une déflection et finit par se coller à l'électrode, créant un court-circuit. « Des Nems basés sur des nanotubes de carbone pourront fonctionner à des fréquences de l'ordre du gigahertz, voire supérieures », indique Vincent Derycke. Ce type de dispositif trouverait un débouché dans de futures mémoires électroniques, dans les télécommunications, ou encore dans des mesures de force ultrafaible.

Autre dispositif électromécanique surprenant : une « balance » capable de mesurer l'attogramme (10-18 grammes), inventée par une équipe de l'université d'Osaka, au Japon. En fait, les chercheurs mesurent la fréquence de vibration d'un nanotube couplé à un dispositif piézoélectrique. Lors- qu'une particule est déposée à l'extrémité du tube, sa fréquence est modifiée. La sensibilité du dispositif est telle que les chercheurs envisagent de détecter une molé-cule isolée - soit une masse de l'ordre du zeptogramme (10-21 ) !

D'autres capteurs sont à un stade plus avancé de développement : les capteurs chimiques, qui utilisent les propriétés électriques des nanotubes. Le principe général est que, lorsqu'une molécule s'adsorbe à la surface d'un nanotube, il se produit un changement électrostatique qui peut être mesuré. Du coup, il est tentant de les utiliser pour fabriquer des « nez » ou des « langues » électroniques, afin de détecter par exemple un gaz toxique, un explosif, ou un composé organique volatil. Des capteurs chimiques à base de NTC, nus ou revêtus d'une fine couche de polymère qui améliore leur sélectivité, ont été développés dans plusieurs laboratoires. Une équipe de l'université de Pennsylvanie a même réussi à greffer des brins d'ADN sur un nanotube intégré dans un transistor. Les capteurs chimiques résultants peuvent être adaptés à la détection visée : « C'est la séquence de base de l'ADN qui détermine la réponse du capteur. Les techniques d'ingénierie moléculaire devraient donc permettre de créer une grande variété de capteurs », explique Alan T. Johnson, qui dirige ces recherches à l'université de Pennsylvanie. Un dispositif très sophistiqué, qui n'est encore qu'un objet de laboratoire. Ce qui n'empêche pas les capteurs chimiques à base de NTC d'être déjà une réalité : la société américaine Nanomix vend des détecteurs d'hydrogène dans lesquels des nanotubes revêtus de couches fonctionnelles sont combinés avec des circuits en silicium.

Nanomix reste discret sur le principe, et plus encore sur le procédé de fabrication de ses détecteurs. En fait, quelle que soit l'application visée, la méthode de mise en oeuvre est aussi déterminante que les propriétés intrinsèques des nanotubes. Notamment quand il s'agit d'utiliser des nanotubes à l'échelle macroscopique, comme pour la réalisation d'écrans plats. Les NTC sont de bons émetteurs d'électrons, en particulier pour réaliser des écrans d'affichage. Mais la difficulté est de maîtriser la croissance de milliers de nanotubes à la surface d'un substrat. Motorola a présenté en mai dernier un prototype d'écran couleurs de 5 pouces (12 cm) de diagonale. Samsung travaille aussi sur ce sujet. Le CEA-Léti a réalisé un écran monochrome de 15 cm, et prépare une démonstration d'un écran couleurs pour le premier semestre 2006. Motorola et le CEA travaillent sur des structures d'écrans analogues, mais utilisent des méthodes de croissance des nanotubes différentes. « Les performances de notre écran sont proches de celles qu'exigerait un produit commercial. Il reste à améliorer l'uniformité de l'émission d'électrons d'un pixel à l'autre », indique Jean Dijon, spécialiste de cette technologie au CEA-Léti de Grenoble.

Toujours dans l'optique de fabriquer des objets macroscopiques, des chercheurs de l'université du Texas à Dallas, en collaboration avec le centre australien Csiro, ont réussi à produire des rubans et des films composés de nanotubes, par une méthode qu'ils affirment industrialisable. Et qui ouvre la voie à de multiples et nouvelles applications. Les feuilles de NTC sont tirées à partir d'une « forêt » de tubes obtenue par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur un substrat.

Les films obtenus à Dallas ont 5 cm de largeur et jusqu'à un mètre de long... Une fois densifiées, les feuilles de nanotubes, transparentes, montrent des caractéristiques mécaniques excellentes.

Le laboratoire a également utilisé des feuilles de nanotubes pour souder des plastiques par micro-onde (la feuille de NTC est chauffée, en sandwich entre deux pièces de plastique), réaliser des électrodes, des revêtements conducteurs, etc. Toujours dans la perspective de faire accéder les NTC à des applications macroscopiques, une équipe américano-indienne a fabriqué des cylindres de quelques centimètres en déposant des nanotubes sur une préforme en quartz. Ils proposent d'en faire des fil- tres industriels d'une grande stabilité chimique. Une application bien prosaïque pour ces « stars de la recherche »... Signe que les NTC, après des années de projets de recherche plus ou moins réalistes, sont en train de rentrer dans le rang ? Rien n'est moins sûr. D'une part, parce que les NTC ne cessent de révéler des propriétés surprenantes. Ainsi, des chercheurs de l'université du Kentucky ont découvert qu'à travers une membrane constituée de nanotubes alignés, on peut faire passer de l'eau 10 000 à 100 000 fois plus vite que prévu, pour des pores de cette taille (7 nm de diamètre). Mais aussi parce que ces étonnants objets continuent de suggérer aux chercheurs des idées qui ne le sont pas moins.

L'Argonne National Laboratory, du Département américain de l'énergie, a synthétisé des films qui associent nanotubes et diamant pour créer des revêtements anti-usure ou antifrottement. D'autres chercheurs (université d'Akron, Ohio, et Rensselaer Polytechnic Institute, Etat de New-York) ont tapissé une surface de polymère (PMMA) avec des milliers de « poils » en nanotubes : la surface est fortement adhésive, bien plus qu'une patte de lézard grimpeur - modèle que les chercheurs s'efforcent de reproduire. Enfin, le même Rensselaer Polytechnic Institute a fabriqué des « nanobrosses » : des lignes de NTC dressés sur un minuscule support en céramique, comme sur une brosse à dents. Couplée à un micromoteur, une brosse à trois branches s'est révélée un moyen très efficace pour nettoyer un tube capillaire ! Comme quoi, chez les amateurs de nanotubes de carbone, l'imagination est encore au pouvoir.