Clefs n°61 Printemps 2013
Clefs n°61 Printemps 2013
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°61 de Printemps 2013

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 108

  • Taille du fichier PDF : 5,8 Mo

  • Dans ce numéro : les énergies bas carbone.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
< Pages précédentes
Pages : 84 - 85  |  Aller à la page   OK
Pages suivantes >
84 85
82 CEA Pour une meilleure utilisation de l’énergie Figure 2. Cellule photovoltaïque organique flexible fabriquée au Liten (CEA Grenoble, site Ines). Le matériau actif de telles cellules est constitué de polymères semi-conducteurs organiques. Le travail des chimistes porte sur la synthèse des molécules adaptées pour absorber efficacement la lumière du spectre visible et sur la réalisation d’un mélange de polymères dont la nanostructuration est contrôlée afin d’optimiser le transport des électrons et des trous vers les électrodes. Figure 3. Synthèse de nanomatériaux. À gauche, installation pour la production de nanoparticules par pyrolyse laser (Iramis, CEA Saclay). Les nanoparticules sont élaborées lors de l’interaction entre un faisceau laser infrarouge et un flux de réactifs formé à partir de précurseurs gazeux ou liquides. Cette installation de recherche permet la fabrication de 60 g de nanoparticules de silicium par heure. Sur des matériaux similaires (carbure de silicium, SiC), des taux de production plus élevés, de l’ordre du kg/h, sont obtenus sur un pilote développé au sein du Département des matériaux pour le nucléaire de la Direction de l’énergie nucléaire (DMN/DEN). Les nanoparticules de silicium sont ensuite associées à d’autres matériaux pour constituer les électrodes de batteries. À droite, déchargement confiné d’un broyeur haute énergie semi-industriel contenant des poudres nanostructurées, au sein de la plateforme Nanomil (Nanostructured materials by milling) du Liten (CEA Grenoble). Nanomil est dédiée au transfert industriel (synthèse de matériaux nanostructurés pour batteries Li-ion). CLEFS CEA - N°61 - PRINTEMPS 2013 Stocker l’énergie Les batteries sont un composant essentiel d’une transition vers une économie plus respectueuse de l’environnement : véhicules automobiles électriques, adaptation de l’offre à la demande avec le stockage de l’énergie produite par des sources intermittentes (photovoltaïque, éolien), etc. Dans ce domaine, les nanomatériaux sont une source de progrès considérables, comme l’illustre le cas des batteries lithium-ion (Li-ion), l’une des technologies les plus performantes et les plus diffusées (voir Énergie en batteries, p.56). Ces batteries sont basées sur l'échange réversible de l'ion lithium, au travers d’un liquide électrolytique, entre une électrode positive (insertion de l’ion Li +, classiquement dans un composé tel que du phosphate de fer, FePO 4) et une électrode négative (insertion de l’atome de lithium). La capacité de la batterie dépend directement de la quantité de lithium pouvant être réversiblement stockée par chacune des électrodes. Le silicium, qui est à même de former une phase particulièrement riche en lithium (Li 15 Si 4), apparaît ainsi comme un matériau d’insertion très prometteur. Cependant, l’insertion de telles quantités de lithium induit un gonflement important, d’un facteur supérieur à 3, du silicium. Ce gonflement conduit à la fragmentation du matériau lors des cycles de P.Avavian/CEA P.Avavian/CEA charge-décharge des batteries. Face à cette difficulté, la nanostructuration du silicium apporte une solution : le phénomène de fracturation est bien plus limité pour des nanoparticules, plus aptes à supporter la contrainte associée au gonflement, qu’un matériau massif. Sur de tels enjeux, les équipes du CEA, ici celles de l’Institut rayonnement matière de Saclay de la Direction des sciences de la matière (Iramis/DSM) et de l’Institut Liten (Laboratoire d’innovation pour les techno logies des énergies nouvelles et les nanomatériaux) de la Direction de la recherche technologique (DRT), sont actives, depuis la synthèse des nano matériaux (figure 3) jusqu’à la réalisation de dispositifs technologiques permettant l’évaluation des performances et préparant le transfert industriel. Récemment, une équipe de l’Institut nanosciences et cryogénie (Inac/DSM), en collaboration avec l’Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes, Loire- Atlantique), a pour la première fois étudié les performances d’électrodes en nanofils de silicium pour des supercapacités. Dispositifs similaires aux batteries, les supercapacités permettent de délivrer une densité de puissance bien plus élevée, avec cependant une densité d'énergie stockée plus faible. Dans ce cas, des électrodes constituées de nanofils de silicium offrent une densité de courant 7 fois supérieure à celle d’une surface plane de silicium, tout en préservant une excellente tenue lors de cycles de charge-décharge répétés. Convertir l’énergie Face au caractère intermittent de la production des énergies renouvelables, le stockage de l’énergie sous d’autres formes, in fine non émettrices de gaz à effet de serre, est un enjeu majeur. L’hydrogène est un vecteur particulièrement efficace, dont la combustion est non polluante. Les piles à combustible reposant sur les membranes échangeuses d’ions sont une technologie relativement mature, mais exigent l’usage de quantités significatives de platine. Les équipes du CEA travaillent sur l’amélioration des technologies disponibles, notamment sur l’économie de platine, ainsi que sur l’exploration de voies de rupture. Sur le premier axe, les dernières années ont enregistré des progrès significatifs, avec une forte diminution de la quantité de platine mise en œuvre. Dans ce contexte, il importe de disposer de techniques de caractérisation très avancées autorisant la connaissance de la structure des couches catalytiques, en particulier la distribution en taille et la répartition des particules de catalyseur. Pour ce faire, sur la plateforme de nanocaractérisation PFNC (1) de MINATEC, les équipes de l’Inac et du Liten s’appuient par exemple sur la technique de tomographie électronique. Il est ainsi possible de voir la distribution en trois dimensions des catalyseurs sur leur carbone support et de suivre son évolution à diverses étapes de la vie du dispositif (voir l’illustration p.81). (1) Pour faire face aux exigences de la caractérisation la plus avancée (expertise élevée, coûts d’investissements considérables) associée à ses programmes, le CEA a rassemblé au sein de la PFNC les équipes des Instituts Inac, Leti (Laboratoire d’électronique et de technologie de l’information) et Liten. Recherche fondamentale et recherche technologique sont développées sur les mêmes outils, en assurant un passage rapide des développements méthodologiques conduits en amont vers les usages technologiques. D’autres techniques de caractérisation de la plateforme contribuent aux recherches pour l’énergie, comme les spectroscopies de surface, la diffractionX, les analyses par faisceaux d’ions ou la résonance magnétique nucléaire.
Économiser l’énergie Les économies d’énergie constituent un dernier enjeu majeur. L’apport des nanotechnologies dans ce domaine est d’ores et déjà important. Ainsi, dans le cas de l’éclairage, les diodes électroluminescentes permettent la production de lumière avec une efficacité élevée à partir de puits ou de boîtes quantiques. Elles connaissent une vaste diffusion auprès du grand public. La start-up HelioDEL, créée en 2011 sur la base des travaux du CEA Grenoble, a ainsi pour ambition le développement de diodes à nanofils de nitrure de gallium (GaN) sur substrat silicium. Dans un autre domaine, l’innovation réside dans les composants et dans l’architecture des circuits intégrés issus de la microélectronique. En effet, les processeurs des ordinateurs, des téléphones portables et de nombreux autres dispositifs sont une source importante de consommation d’énergie, non négligeable à l’échelle d’un pays. De plus, la consommation des circuits intégrés limite l’autonomie et donc les usages des appareils mobiles (téléphones, consoles de jeu…). Les mémoires de type MRAM (2), sur lesquelles le laboratoire Spintec (Spintronique et technologies des composants) (3) du CEA Grenoble a fortement innové, combinent consommation très faible, cyclabilité (4) élevée, grande vitesse d’écriture, immunité aux radiations ionisantes et surtout non-volatilité. Les performances et l’intérêt de composants électroniques hybrides (CMOS (5) -MRAM) sont étudiés en vue de déterminer la réduction de consommation possible par comparaison aux technologies classiques de la microélectronique silicium (CMOS-SRAM (6) et (2) MRAM : Magnetic Random-Access Memory. Cette mémoire non volatile est basée sur l’utilisation de jonctions tunnel magnétiques. Elle combine non-volatilité intrinsèque, immunité élevée aux radiations, grande vitesse à la lecture et à l’écriture, forte densité et faible consommation. Aussi est-elle aujourd’hui identifiée par la feuille de route de la microélectronique comme l’une des technologies les plus prometteuses pour au moins une partie des mémoires dans les applications logiques. (3) Le laboratoire Spintec (CEA-CNRS-Université Joseph Fourier- Institut national polytechnique de Grenoble) et le Leti, en collaboration avec le Laboratoire d’informatique, de robotique et de microélectronique de Montpellier (Hérault) et l’Institut d’électronique fondamentale d’Orsay (Essonne), ont mis au point un ensemble d’outils logiciels pour évaluer les gains pouvant être obtenus en ajoutant des jonctions tunnel magnétiques dans les circuits intégrés, notamment dans les processeurs. Ces outils ont permis la conception du circuit représenté figure 4. Ils sont mis à la disposition de plusieurs partenaires nationaux et internationaux. (4) Cyclabilité : aptitude d’un composant à passer de l’état 0 à l’état 1 sans dégradation. Les parties de la mémoire d’un ordinateur proches du processeur, sollicitées un grand nombre de fois, requièrent une cyclabilité très élevée (10 14). (5) CMOS : Complementary Metal Oxide Semiconductor. Technologie de circuits intégrés basée sur l’utilisation de transistors de type MOS complémentaires (un étage de type p et un étage de type n). Elle est employée dans la quasi-totalité des applications purement logiques en raison de ses atouts (vitesse, fiabilité et faible consommation). (6) SRAM : Static Random-Access Memory. Il s’agit d’une mémoire CMOS, donc volatile, extrêmement rapide mais peu dense (6 transistors par cellule mémoire). Elle est utilisée dans les applications nécessitant une grande vitesse, pour une quantité de données relativement faible, par exemple dans les mémoires caches des processeurs. (7) DRAM : Dynamic Random-Access Memory. Cette mémoire est constituée d’une capacité et d’un transistor d’accès. L’information est stockée sous forme de charge électrique dans la capacité. Elle doit être rafraîchie régulièrement car la capacité se décharge spontanément au cours du temps. Cette mémoire moyennement rapide, mais très dense, est typiquement utilisée comme mémoire principale dans les ordinateurs. DRAM (7)). Pour ce faire, les recherches combinent étude de la physique des composants élémentaires de type MRAM et travail sur la conception des futures architectures CMOS-MRAM (figure 4). En associant plus intimement fonctions logiques et mémoires dans l’architecture des circuits, il est par exemple possible de créer des circuits reprogrammables, à la fonctionnalité optimisée pour un calcul donné, et de réaliser une électronique normally-off, c’est-à-dire où les diverses parties d’un processeur ne sont alimentées que le temps nécessaire au calcul. Un domaine prioritaire pour l’énergie Le potentiel considérable des avancées issues des nanosciences et des nanotechnologies pour les technologies pour l’énergie a été identifié par l’ensemble des grands acteurs internationaux. Il se situe ainsi au premier rang des priorités de la National Nanotechnology Initiative aux États-Unis, dont le DoE (US Department of Energy) est maintenant la principale agence contributrice, et des priorités du Plan d’Action 2015 pour les nanotechnologies publié en 2011 par le Gouvernement fédéral en Allemagne. Sur la base des avancées déjà réalisées, l’apport des nanotechnologies à des domaines aussi divers que le solaire photovoltaïque, la récupération de chaleur (thermoélectricité), le stockage de l’énergie dans les batteries, les supercapacités ou les piles à combustible est désormais une réalité. Avec ses partenaires académiques et industriels, le CEA combine ses compétences en nanosciences et nanotechnologies, et son savoir-faire sur les systèmes industriels dans les nouvelles technologies pour l’énergie. Il entend ainsi répondre aux deux enjeux-clés de ces technologies : des performances améliorées et un développement technologique durable, permettant une diffusion à grande échelle des technologies en limitant le recours aux ressources non renouvelables (matériaux rares...). > Yves Samson Direction du Programme transversal « Nanosciences » CEA Centre de Grenoble Figure 4. Dessin des masques d’un filtre numérique complet, conçu avec les outils classiques de la microélectronique. Le zoom montre une bascule synchrone (flip-flop) à mémoire non volatile (NVFF). La non-volatilité vient de l'ajout des deux jonctions tunnel magnétiques (MTJ) fabriquées dans une étape complémentaire au-dessus des composants CMOS, donc avec un très faible surcoût en surface consommée. À partir des calculs effectués, le gain en consommation de tels circuits hybrides, intégrant électronique silicium et éléments de type MRAM est, comparativement aux architectures classiques, estimé à un facteur 10 ! CLEFS CEA - N°61 - PRINTEMPS 2013 CEA 83



Autres parutions de ce magazine  voir tous les numéros


Liens vers cette page
Couverture seule :


Couverture avec texte parution au-dessus :


Couverture avec texte parution en dessous :


Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 1Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 2-3Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 4-5Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 6-7Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 8-9Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 10-11Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 12-13Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 14-15Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 16-17Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 18-19Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 20-21Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 22-23Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 24-25Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 26-27Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 28-29Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 30-31Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 32-33Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 34-35Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 36-37Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 38-39Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 40-41Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 42-43Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 44-45Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 46-47Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 48-49Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 50-51Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 52-53Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 54-55Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 56-57Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 58-59Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 60-61Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 62-63Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 64-65Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 66-67Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 68-69Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 70-71Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 72-73Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 74-75Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 76-77Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 78-79Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 80-81Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 82-83Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 84-85Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 86-87Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 88-89Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 90-91Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 92-93Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 94-95Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 96-97Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 98-99Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 100-101Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 102-103Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 104-105Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 106-107Clefs numéro 61 Printemps 2013 Page 108