Nouveaux Matériaux et Composants

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1 Nouveaux Matériaux et Composants
Physique contemporaine PHQ 171 Nouveaux Matériaux et Composants x = 0.10 © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

2 Pourquoi étudier des nouveaux matériaux des nouveaux composants ???
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Nouveaux Matériaux et Composants Pourquoi étudier des nouveaux matériaux et des nouveaux composants ??? © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

3 Nouveaux Matériaux et Composants
Physique contemporaine PHQ 171 Nouveaux Matériaux et Composants Plan Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Défis de la technologie actuelle Les nouveaux matériaux Les nouveaux composants Quelques applications exotiques Mes activités Visite © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

4 Métaux Nouveaux Matériaux et Composants Cu, Al , Ag, Au, Pb,…
Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Métaux Cu, Al , Ag, Au, Pb,… Propriétés importantes: Conductivité électrique excellente Conductivité thermique excellente Optique – réflexion parfaite © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

5 Semiconducteurs Nouveaux Matériaux et Composants Si, Ge,…
Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Semiconducteurs Si, Ge,… GaAs, InAs (III – V) Propriétés importantes: Conductivité électrique plus faible (augmente si T augmente) - comportement modifié facilement par dopage Conductivité thermique affaiblie par rapport à métaux Optique – réflexion partielle © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

6 Isolants Nouveaux Matériaux et Composants
Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Isolants Al2O3 (saphir) – ajoute un de Cr dans le matériau : Ruby Verre (SiO2 amorphe) Cristallisation - quartz Diamant Quartz (SiO2) Propriétés importantes: Conductivité électrique très faible Optique – transparent (visible) KDP (KH2PO4) © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

7 Exemple spécial du carbone
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Exemple spécial du carbone Fullerènes Diamant Graphite Nanotube de carbone (métal ou semi-métal) (métal ou semiconducteur) (supraconducteurs!) (isolant) © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

8 Magnétisme Nouveaux Matériaux et Composants M M 1 H TCu T T ambiante
Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Magnétisme M M 1 H TCu T T ambiante © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

9 Matériaux TCu (K) Co 1388 Ni 627 CrO2 386 NiOFe2O3 858 CuOFe2O3 728
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Magnétisme Matériaux TCu (K) Co 1388 Ni 627 CrO2 386 NiOFe2O3 858 CuOFe2O3 728 Bi2CoMnO6 © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

10 Transistors (à effet de champ)
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Transistors (à effet de champ) Vg VS Grille VD Drain Source © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

11 Transistors (à effet de champ)
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Transistors (à effet de champ) Évolution du nombre de transistors intégrés dans un microprocesseur 1971 : 4004 : transistors 1978 : 8086 : transistors 1982 : transistors 1989 : 80486 : 1,16 million de transistors 1993 : Pentium : 3,1 millions de transistors 1995 : Pentium Pro : 5,5 millions de transistors 1997 : Pentium II : 27 millions de transistors 2001 : Pentium 4 : 42 millions de transistors 2004 : Pentium Extreme Edition : 169 millions de transistors 2006 : Core 2 Duo : 291 millions de transistors 2006 : Core 2 Quad : 582 millions de transistors 2008 : Core i7 : 730 millions de transistors 2007 : Dual-Core Itanium 2 : 1,9 milliard de transistors © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

12 Structures artificielles (2DEG)
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Structures artificielles (2DEG) AlxGa1-xAs GaAs Substrat © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

13 Structures artificielles (2DEG)
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Structures artificielles (2DEG) Effet Hall Résistance © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

14 Tunneling MR – Giant MR B Nouveaux Matériaux et Composants Substrat
Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Tunneling MR – Giant MR B Substrat © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

15 Tunneling MR – Giant MR B R GRANDE M2 M1
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Tunneling MR – Giant MR B R GRANDE M2 M1 Substrat © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

16 Tunneling MR – Giant MR B R PETITE M2 M1
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Tunneling MR – Giant MR B R PETITE M2 M1 Substrat Nobel de Physique 2007 : Albert Fert et Peter Grünberg. © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

17 d’un germe monocristallin
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Méthode de Czochralski Note: Chaleur évacuée par tige (et atmosphère environnant) Silicium en fusion (dans quartz) Approche et contact d’un germe monocristallin de Si Lingot en extraction © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

18 Méthode de Czochralski
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Méthode de Czochralski Si, Ge, GaAs, Pd, Pt, Ag , Au… Silicium : creuset de quartz (SiO2) Si ultra pur, ou peut être dopé avec B ou P pour dopage de type n ou p respectivement. ~ 15cm © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

19 Nouveaux Matériaux et Composants
Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle EJM : Épitaxie par jet moléculaire MBE : Molecular beam epitaxy Des jets moléculaires lents (à faible énergie, donc virtuellement en équilibre thermodynamique avec l’environnement) sont dirigés vers un substrat. Dans ce cas, le dépôt procède en une succession d’étapes de cristallisation monocouche par monocouche. © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

20 Nouveaux Matériaux et Composants
Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Image par microscopie électronique à balayage et par transmission à haute résolution © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

21 Nouveaux Matériaux et Composants
Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Image par microscopie à force atomique © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

22 Lithographie – obtenir des composants (circuits)
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Lithographie – obtenir des composants (circuits) Exposition (résine modifiée par UV) Ajout de résine Couche et substrat Masque Retrait de la résine Attaque chimique ou physique pour graver matériaux pas protégé Résine modifiée par UV Développement © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

23 Lithographie – obtenir des composants (circuits)
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Les classes de matériaux et quelques utilisations dans la technologie actuelle Lithographie – obtenir des composants (circuits) Couche et substrat Retrait de la résine © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

24 Nouveaux Matériaux et Composants
Physique contemporaine PHQ 171 Défis de la technologie actuelle : notre motivation ! Dimensions chez Intel ~ 45 nm (0.045 mm !) (lithographie par faisceau d’électrons) Petites Dimensions des éléments d’un circuit = DES GROS PROBLÈMES conductivité diminue : un métal pourrait se comporter comme un isolant!!! Petit composant : énergie de charge (mettre un seul électron devient coûteux en énergie et peut immobiliser les charges) Solutions ??? Nouveaux matériaux avec propriétés différentes Nouveaux composants avec principes d’opération différents © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

25 Nouveaux Matériaux et Composants
Physique contemporaine PHQ 171 Les nouveaux matériaux Présence de magnétisme, structures anisotropes Supraconductivité dans les oxydes de cuivre Ferromagnétisme accompagné de magnétorésistance colossale Ferroélectricité Multiferroïques Thermoélectriques Hétérostructures © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

26 Résistance électrique
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Supraconductivité : Quelques applications exotiques T Tc Résistance électrique nulle R (Ohm) I V Ic © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

27 Supra D Supra D Supra D Supra D Supra D Supra D Supra G
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Supraconductivité : Quelques applications exotiques Jonctions Josephson Supra D Supra D Supra D Supra D Supra D Supra D Supra G Courant de paires!!! © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

28 Détection de champs magnétiques faibles
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Supraconductivité : Quelques applications exotiques F. Wellstood, Maryland Détection de champs magnétiques faibles YBa2Cu3O7 50 microns = 0.05mm © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

29 Détection de champs magnétiques faibles
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Supraconductivité : Quelques applications exotiques Détection de champs magnétiques faibles K.Moler, Stanford Scanning SQUID B  I © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010 Gracieuseté de : Neocera et F. Wellstood (Maryland)

30 Nouveaux Matériaux et Composants
Physique contemporaine PHQ 171 Supraconductivité : Quelques applications exotiques Les applications micro-ondes – télécommunications, détection, sécurité Résonateurs I f I f © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

31 Résonateur supra et QUBIT…
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Supraconductivité : Quelques applications exotiques Résonateur supra et QUBIT… I f © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

32 Résonateur supra et QUBIT…
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Supraconductivité : Quelques applications exotiques Résonateur supra et QUBIT… I f I f © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

33 Applications des supras
Images pigées sur :

34 Multiferroïques Au tableau! Nouveaux Matériaux et Composants M 1 H
Physique contemporaine PHQ 171 Multiferroïques Multiferroïques M 1 Au tableau! H © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

35 Hétérostructures LaMnO3 LaCoO3 Nouveaux Matériaux et Composants
Physique contemporaine PHQ 171 Hétérostructures Hétérostructures (multicouches) LaMnO3 LaCoO3 © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

36 LaCoO3 LaMnO3 Hétérostructures AF, TN ~ 230K FM AF in bulk, TN ~ 270K
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Hétérostructures Hétérostructures (multicouches) LaMnO3 AF, TN ~ 230K FM AF in bulk, TN ~ 270K LaCoO3 © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

37 Hétérostructures Pr2-xCexCuO4 La2-xSrxCuO4
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Hétérostructures Hétérostructures (multicouches) Pr2-xCexCuO4 La2-xSrxCuO4 © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

38 Hétérostructures Nouveaux Matériaux et Composants (multicouches)
Physique contemporaine PHQ 171 Hétérostructures Hétérostructures (multicouches) © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

39 Hétérostructures Supraconductivité? B A
Nouveaux Matériaux et Composants Physique contemporaine PHQ 171 Hétérostructures Hétérostructures (multicouches) Le vrai but!!! Supraconductivité? B A © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

40 Nouveaux Matériaux et Composants
Physique contemporaine PHQ 171 Mes activités Dépôt de couches mince par ablation laser Dépôt stœchiométrique, hors équilibre © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

41 Nouveaux Matériaux et Composants
Physique contemporaine PHQ 171 Mes activités Labo basse T et haut champ magnétique © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

42 Nouveaux Matériaux et Composants
Physique contemporaine PHQ 171 Mes activités Salles blanches de classe 100 pour la micro et nanofabrication © Patrick Fournier Département de physique, Université de Sherbrooke Octobre 2010

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