Micro Systèmes n°49 janvier 1985
Micro Systèmes n°49 janvier 1985
  • Prix facial : 24 F

  • Parution : n°49 de janvier 1985

  • Périodicité : mensuel

  • Editeur : Société Parisienne d'Edition

  • Format : (203 x 271) mm

  • Nombre de pages : 198

  • Taille du fichier PDF : 137 Mo

  • Dans ce numéro : dossier sur l'ordinateur biologique.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Une révolution est attendue des matériaux organiques  : la supraconductivité à température ambiante. Dossier du côté des polymères conducteurs. La supraconduction à température ambiante En 1911, un quatrième niveau de conductivité a été mis en évidence par Kamerlingh Onnes. Certains conducteurs portés à très basse température, proche du zéro absolu (O K = — 273,15° C), voient leur résistance électrique s'annuler  : ils deviennent supraconducteurs (voir Micro-Systèmes n°28 page 82 et n°29 page 100). Cette propriété s'applique à un grand nombre de métaux, mais la température critique, ou seuil de supraconductivité, varie selon les matériaux. Elle est généralement de l'ordre de quelques kelvins (4 K pour le mercure, 7 K pour le plomb). Pour atteindre des températures aussi basses, il faut refroidir le conducteur avec de l'hélium liquide (soit à la température de 4,2 K). Or l'énergie dépensée pour produire ce dernier est très importante, de sorte que les applications industrielles, notamment en informatique (caractérisées par l'absence d'échauffement et de perte d'énergie dans des circuits) ou dans les accélérateurs de particules (réalisation de bobines capables de produire des champs magnétiques intenses), sont encore très réduites. L'équipe de Denis Jérome au laboratoire CNRS de physique des solides d'Orsay, en collaboration avec des chimistes de Copenhague (Danemark), a découvert en 1980 que certains matériaux organiques présentent aussi des propriétés supraconductrices (fig. 2). Celles-ci ont été obtenues expérimentalement vers I K, température certes plus basse que le seuil de supraconductivité des métaux, qui se situe aux alentours de 10 K, voire à 23 K pour des composés à base de niobium. Par contre, en théorie, les matériaux organiques pourraient avoir une température critique nettement plus élevée que celle des métaux les plus favorables. Ce phénomène est intrinsèquement lié à la nature du phénomène de supraconductivité. Rappelons que, selon la théorie de Bardeen, Cooper et Schrieffer (1957), au sein d'un conducteur Cristal moléculaire sur support de circuit intégré. (Photo ANVAR et D. Jérôme.) porté à une température inférieure à la température critique, il se forme des paires d'électrons, dites « paires de Cooper », qui se déplacent de façon cohérente sous l'action d'un champ électrique. La stabilité de ces paires n'est assurée qu'aux basses, températures car, au-delà, elles sont dissociées par l'agitation thermique. L'attraction de ces paires d'électrons résulte de l'interaction de chacun des partenaires avec les ions chargés constituant le réseau cristallin. Or, dans les matériaux organiques, la supraconductivité serait d'une autre nature. Selon W.A. Little de l'université de Stanford (Etats-Unis), un supraconducteur pourrait être fabriqué à partir d'une chaîne de molécules. Un alignement d'atomes de carbone agirait comme une sorte de corridor de conduction pour les paires de Cooper ; les molécules d'hydrocarbures situées de part et d'autre pourraient être polarisées de telle sorte qu'une partie acquière une charge positive et l'autre une charge négative. Un électron passant dans le corridor d'atomes de carbone repousserait les électrons externes des molécules d'hydrocarbures, créant ainsi une région de charge positive au voisinage du corridor. Un second électron passant dans le corridor se trouverait alors attiré par la charge positive et subirait ainsi une attraction indirecte vers le premier électron. Little démontre que, dans un tel modèle, le phénomène de supraconductivité pourrait exister à température ambiante, et il avance même des températures critiques atteignant 2 000 K ! De telles valeurs seraient obtenues si la charge positive était causée non par le déplacement d'un ion dans le réseau, mais par celui d'un électron. Ce dernier étant environ 100 000 fois plus léger qu'un ion dans un métal ordinaire, la tendance à former des paires de Cooper serait accrue d'un facteur égal à la racine carrée de 100 000, soit à peu près 300. Bien que personne n'ait encore réussi à atteindre de telles performance, ni même à s'en approcher, l'intérêt des conducteurs organiques n'en est pas réduit pour autant. Les chercheurs s'attachent à synthétiser des cristaux moléculaires possédant des propriétés conductrices particulièrement favorables, sachant que la température critique dépend de l'anisotropie du matériau. Alors que les conducteurs organiques usuels sont quasi unidimensionnels (la température critique est nulle en cas d'unidimensionnalité absolue), une structure formée d'un empilement de molécules planes à base de carbone, soufre ou sélénium (fig. 3) peut présenter des propriétés intéressantes  : en particulier dans le conducteur organique de formule (TMTSF)2 PF6, synthétisé à Copenhague, la conduction est 1000 fois plus élevée le long de l'axe 96 — MICRO-SYSTEMES Janvier 1985
L'ordinateur biologique Dossier Janvier 1985 d'empilement que suivant une direction perpendiculaire. Ce même matériau devient supraconducteur à 0,9 K et sous une pression de 10 kilobar. Cependant, la supraconduction peut être stabilisée sous pression atmosphérique dans d'autres composés de la série (TMTSF)2X, par exemple dans (TMTSF)2 C104 au-dessous de 1,25 K. En plus de cet état supraconducteur, l'équipe d'Orsay a mis en évidence l'existence de phénomènes précurseurs de la supraconductivité dès la température de 40 K  : c'est le phénomène de paraconduction. Alors que celui-ci ne se produit qu'à des températures très proches de la température critique dans les métaux, dans un supraconducteur unidimensionnel, au contraire, la paraconduction est amplifiée. Ce phénomène s'explique par la présence de paires d'électrons qui existeraient, TETRATHIAFULVALENE ITTEI TÉTRASÉLÉNAFULVALÉNE ITSFI TÉTRAMETHYLTÉTRASELÉNAFULVALENE ITMTSFI Fig. 3. — Les molécules qui peuvent former des conducteurs organiques stables sont le tétrathiafulvalène (TTF) contenant des atomes de carbone et de soufre, le tétrasé- Iéna fulvalène (TSF) et le tétraméthyltétrasélénafulvalène (TMTSF), ces deux dernières étant constituées de carbone et de sélénium. Toutes ces molécules organiques, à l'origine synthétisées à Copenhague, et désormais aussi à Orsay, ont été étudiées par l'équipe dirigée par Denis Jérome au laboratoire de Physique des solides à Orsay. En particulier, la supraconductivité a été mise en évidence pour des composés de la forme (TMTSF)2X, X étant une molécule organique comme PF6. Dans tous les cas, la température critique n'est, au mieux, que de l'ordre de quelques kelvins. Pour (TMTSF)2CI04, T 1,2 K sous pression atmosphérique.comme dans les supraconducteurs, mais seulement pendant des temps très courts, et néanmoins suffisants pour participer à la conduction. Il est permis d'espérer des températures de supraconductivité jusqu'à 20 ou 30 K avec de futurs supraconducteurs organiques. La supraconductivité intéresse particulièrement les concepteurs de circuits, car elle permet d'éviter totalement l'échauffement et autorise donc des circuits beaucoup plus denses, et même tridimensionnels, comme nous le verrons plus loin. Les supraconducteurs organiques lèveraient le principal obstacle à l'industrialisation de circuits à effet Josephson, qui est le coût prohibitif du refroidissement par l'hélium liquide. Les recherches sont menées dans différents laboratoires associés au CNRS, et notamment au laboratoire de Physique des solides d'Orsay. L'optoélectronique organique Une autre propriété fort prometteuse des cristaux moléculaires organiques est la non-linéarité. Celle-ci présente tout un potentiel d'applications, notamment en informatique et en télécommunication. L'histoire de l'optique non linéaire a commencé avec le quartz en 1961. En illuminant un cristal de quartz avec un laser à rubis (rayonnement rouge monochromatique de longueur d'onde 0,6943 micron), une équipe de l'université du Michigan dirigée par P.A. Franken a détecté à la sortie du cristal, en plus du faisceau transmis, une radiation ultraviolette dont la longueur d'onde était exactement la moitié de celle du laser  : la fréquence d'une petite partie du rayonnement avait été doublée lors de la traversée du quartz. Cette faculté de doublement de fréquence est due à la « susceptibilité non linéaire » du quartz. Elle est assez faible dans cette expérience, mais des théories quantiques ont montré que, pour être fortement non linéaires, les matériaux doivent posséder des caractéristiques physico-chimiques et structurelles qui se retrouvent précisément dans certaines molécules organiques. H,N COOCH, CH,- C - NH H NO, NO, NO NO, Fig. 4. — Les dérivés du benzène (C6H6) peuvent posséder de bonnes propriétés non linéaires. C'est le cas de la molécule de 2- 4 dinitroaniline (a). Pour obtenir un cristal moléculaire non linéaire, il faut adjoindre à cette molécule un radical asymétrique. On obtient ainsi un très bon matériau non linéaire, le « MAP » (b). En effet, les cristaux moléculaires présentent des forces intramoléculaires, responsables des propriétés optiques ou autres, beaucoup plus intenses que les forces intermoléculaires qui assurent la cohésion de l'édifice cristallin. Pour obtenir de bonnes propriétés non linéaires, un grand choix de matériaux se présente, puisqu'il est possible lie varier, pratiquement à la demande, la formule chimique. En particulier, les dérivés du benzène de formule C6H6 possèdent une forte susceptibilité non linéaire. A partir de là, il s'agit d'élaborer une structure cristalline renforçant ces propriétés. Citons, à titre d'exemple, l'un des « meilleurs » matériaux non linéaires obtenus  : le « MAP », réalisé à partir du 2-4 dinitroaniline (fig. 4). Les cristaux de MAP sont transparents de 0,5 à 2 microns et présentent une susceptibilité linéaire exceptionnelle  : un cristal d'un millimètre d'épaisseur a pu doubler la fréquence de 30% du rayonnement du laser YAG-néodyme de longueur d'onde 1,06 micron. En outre, le MAP supporte les hautes densités lumineuses. Des recherches sur les cristaux moléculaires sont menées dans différents laboratoires, notamment au CNET où un groupe dirigé par Joseph Zyss étudie depuis 1980 les « propriétés optiques et diélectri- MICRO-SYSTEMES — 97



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