LES NANOSCIENCES I NANOTECHNOLOGIES ET NANOPHYSIQUE

I NTRODUCTION ET N ANOPHYSIQUE N ANOTECHNOLOGIES « Et tu dois donc, vaincu, admettre l’existence de ces corps qui n’ont plus, cette fois, de parties, et sont le plus petit de toute la nature. » Lucrece, De Natura Rerum ` Deja, plusieurs siecles avant l’ere chretienne, la nature se trouvait ainsi decompo´` ` ` ´ ´ see en atomes. C’est Lucrece qui, a la suite de toute une lignee de philosophes ´ ` ` ´ grecs tels Democrite et Epicure, formulera cette premiere description « atomis´ ` tique » detaillee de la nature au premier siecle avant JC. Ce n’etait pas encore ´ ´ ` ´ une « nanoscience », c’etait « La Science », tout court. Ce n’est toutefois pas avant ´ le debut du XIXe , soit 20 siecles plus tard, que la theorie atomique sera scienti´ ` ´ fiquement etablie par les chimistes Dalton, Lavoisier, Gay-Lussac... Cette science ´ du microscopique a ensuite gagne ses galons tout au long du XIXe et surtout du ´ XX e siecle. Physique et chimie seront largement baties sur notre connaissance de ` ˆ la matiere a l’echelle atomique. ` ` ´ Dans la continuite de cette tendance, depuis le debut des annees 1980, associes ´ ´ ´ ´ au prefixe nano, de nouveaux chapitres des sciences semblent s’ouvrir. Les nanos´ ciences et les nanotechnologies se declinent dans tous les secteurs de la connais´ sance. Fallait-il creer cette nouvelle categorie alors que les sciences physiques, ´ ´ chimiques et maintenant biologiques, sont depuis bien longtemps attachees a la ´ ` comprehension des phenomenes jusqu’a la dimension la plus ultime ? ´ ´ ` ` En fait cette appellation, loin de reellement designer un nouveau chapitre des ´ ´ sciences, doit etre comprise comme une nouvelle grille de lecture des disciplines ˆ scientifiques, une nouvelle facon d’aborder des chapitres traditionnels. Pourquoi ? ¸ Le nanometre, defini de longue date, renvoie a une grandeur, le milliardieme de ` ´ ` ` metre ou le millieme de micron qui est voisine de la distance entre deux atomes ` ` dans un solide (quelques dixiemes de nanometres). Ce qui est nouveau c’est l’ap` ` titude a faconner la matiere jusqu’a des dimensions de plus en plus voisines du ` ¸ ` ` nanometre. Ce nouveau savoir-faire, cette technologie, a tout naturellement recu ` ¸ l’appellation de nanotechnologie. La fabrication d’objets aussi petits a ouvert un champ a l’investigation scientifique. Avec l’aide de nouveaux moyens d’observa` tion developpes simultanement, des notions abstraites comme la fonction d’onde ´ ´ ´ 8 INTRODUCTION electronique, l’« image » d’un atome, la presence d’un seul electron sont devenus ´ ´ ´ objets d’observation banale et quotidienne. Cette familiarite nouvelle est bien de ´ nature a stimuler un engouement pour les sciences qui en beneficient. ` ´ ´ Une succession d’allers et retours fructueux s’est ainsi developpee entre la fabri´ ´ cation d’echantillons toujours plus petits et mieux controles et la comprehension ´ ˆ´ ´ de leur proprietes. Ces allers-retours sont sous-tendus par la question suivante : ´´ a quel moment la physique que nous connaissons, la physique du macroscopique ` ne s’applique-t-elle plus ? La reponse est venue sous la forme d’un nouveau champ ´ de la physique, la physique mesoscopique ou physique des dimensions interme´ ´ diaires, qui, bien entendu, n’est qu’une des multiples facettes des nanosciences. Vouloir delimiter precisement le champ des nanosciences c’est chercher a detecter ´ ´ ´ ` ´ la taille ou les petites dimensions d’un echantillon deviennent primordiales pour ` ´ expliquer ses proprietes, c’est, en quelque sorte, en rechercher la frontiere. Cette ´´ ` limite sera plus ou moins eloignee selon que l’on s’interesse a l’une ou l’autre ´ ´ ´ ` des proprietes du materiau : etats electroniques, transport electronique, magne´´ ´ ´ ´ ´ ´ tisme, propagation de la lumiere ou d’autres encore. En regle generale c’est la ` ` ´ ´ comparaison de la dimension de l’echantillon avec les longueurs caracteristiques ´ ´ des divers phenomenes (libre parcours moyen des electrons, longueur d’onde elec´ ` ´ ´ tronique ou de la lumiere...) qui devient le critere de definition de la frontiere des ` ` ´ ` nanosciences. Ce critere multiforme renvoie deja aux multiples domaines auxquels ` ´` devront s’interesser les nanosciences. ´ Un des precurseurs du domaine, Heinrich Rohrer, nous fournit une autre definition ´ ´ des nanosciences centree sur les objets etudies : ´ ´ ´ « La nanoscience est la science qui traite des nano-objets individualises : mesurer, ´ comprendre, modifier selectivement les proprietes, manipuler, positionner et usi´ ´´ ner de tels objets ; developper de nouveaux concepts pour traiter ces nano-objets ´ et tout specialement une grande collection d’entre eux1 . » ´ Cette definition a le merite de faire apparaı ´ ´ ˆtre deja combien les methodes de fabri´` ´ cation et les instruments d’observation seront au cœur du sujet. Avant d’aller plus avant dans cette rencontre des nanosciences il est judicieux de s’interroger si nanosciences et nanotechnologies ne constituent qu’une mode passagere, une formidable intoxication due au succes passager de la microelectro` ` ´ nique ou reellement a une vraie dynamique capable de transformer durablement ´ ` science et technologie. L ’histoire des trente dernieres annees nous apprend que ` ´ les techniques de miniaturisation n’ont cesse de progresser durant tout ce laps ´ de temps. Les composants de l’electronique se sont faits micro en attendant de ´ devenir nano. Une evolution continue, tranquille, resumee dans la loi formulee ´ ´ ´ ´ par Gordon Moore des le debut des annees 1970. Il avait en effet constate que le ` ´ ´ ´ nombre de transistors incorpores dans une puce etait multiplie par 4 tous les 3 ´ ´ ´ ans, une loi qui ne s’est pas dementie depuis lors. Cette evolution resulte de l’ac´ ´ ´ croissement de la surface des puces (passee progressivement du mm2 au cm2 ) mais ´ surtout de la reduction des dimensions des composants realises. Chaque genera´ ´ ´ ´ ´ tion de circuit integre est en effet dessinee avec une regle de dessin (la plus petite ´ ´ ´ ` dimension) qui est 0,7 fois celle de la generation precedente, ce qui conduit a ´ ´ ´ ´ ` 1 H. Rohrer, The nanoworld : chances and challenges in Proc. Of Intl. Conf. On Nanophase Chemistry Houston USA (23-24 Oct. 1995). H. Rohrer a recu en 1986, avec G. Binnig, le prix Nobel de Physique pour l’invention du microscope ¸ a effet tunnel ` INTRODUCTION 9 diviser par 2 toutes les surfaces. Les generations successives de circuits integres ´ ´ ´ ´ se sont suivies tres regulierement tous les 3 ans, et meme, recemment, tous les ` ´ ` ˆ ´ 2 ans. Le moteur de cette evolution se trouve dans la recherche simultanee de ´ ´ meilleures performances (la reduction de la longueur de grille accroı la rapidite ´ ˆt ´ du composants), la reduction des couts (pour fabriquer un plus grand nombre ´ ˆ de composants sur une meme tranche de silicium) et l’accroissement de la fiabiˆ lite (une meme puce integre de plus en plus de fonctions). Toutes ces notions se ´ ˆ ` trouvent a peu pres resumees dans la formule « smaller, faster, cheaper ». ` ` ´ ´ Mais, a ce rythme, ou va la microelectronique ? La programmation de son evolu` ` ´ ´ tion se trouve declinee dans The International Technology Roadmap for Semicon´ ´ ductors2 . La consultation de ce document nous apprend qu’en 2003 la 1/2 periode ´ d’un reseau de points memoires est de 100 nm tandis que la longueur de grille des ´ ´ transistor MOS, dessinee avec un motif de 60 nm, se trouve avoir une longueur ´ physique de 45 nm seulement. La poursuite de l’evolution predit que, 4 genera´ ´ ´ ´ tions plus tard, en 2015, cette longueur ne sera plus que de 10 nm (figure 1). L ’entree dans l’ere des nanotechnologies est donc bel et bien programmee pour le ´ ` ´ debut du XXIe siecle. ´ ` ` A cette echelle, tous les concepts sont a repenser puisque toutes les approxima´ ` tions sur lesquelles reposaient les phenomenes observes ne sont plus valables : ´ ` ´ les atomes peuvent etre deplaces a l’unite, les electrons ou les photons peuvent ˆ ´ ´ ` ´ ´ etre comptes un par un. Les echantillons sont si petits qu’ils doivent etre inteˆ ´ ´ ˆ ´ gralement traites comme des objets quantiques. Il va de soi que les principes de ´ fonctionnement des transistors qui pendant des decennies avaient tant bien que ´ mal accompagne l’evolution de la microelectronique devront eux aussi etre remis ´ ´ ´ ˆ en cause. Les technologues se voient contraints, par le succes meme de leur entre` ˆ prise, de penetrer en terra incognita et d’appeler les sciences a la rescousse. ´ ´ ` On est en droit de se demander si l’evolution « tranquille » des dernieres decennies ´ ` ´ va se poursuivre sans heurts ou bien si l’entree dans le monde du « nano » ne ´ se fera qu’au prix de plusieurs revolutions capables de transformer les concepts, ´ les technologies voire meme les modeles industriels de la microelectronique. On ˆ ` ´ a en effet evoque plus haut la revolution « quantique », il faut aussi parler de ´ ´ ´ la revolution de l’electronique moleculaire. A l’approche « par le haut » ou tout ´ ´ ´ ` repose sur le pouvoir de la miniaturisation, saura-t-on substituer une approche « par le bas » capable d’assembler des nanoelements fabriques a la chaı ? Le ´´ ´ ` ˆne transistor sera-t-il remplace par des molecules ? le fil de cuivre par des nanotubes ´ ´ de carbone ? Ces transformations radicales, ces revolutions, les chercheurs les preparent dans ´ ´ leur laboratoire. Bien en avance sur les techniques industrielles, ils fabriquent des echantillons encore plus petits que ceux predits par la « roadmap », isolent ´ ´ des molecules, batissent des composants elementaires, analysent leurs proprietes, ´ ˆ ´´ ´´ mettent au point les concepts theoriques. ´ On voit tout l’interet de l’evolution en cours. Les sciences et les technologies, ´ ˆ ´ plus que jamais doivent s’entraider : maı ˆtriser des techniques en rapide evolution, ´ comprendre les proprietes des nouveaux objets, prevoir et realiser de nouveaux ´´ ´ ´ principes de composants. Le champ est immense car, comme le disait Feynman 2 The International Technology Roadmap for Semiconductors peut etre consultee a l’adresse : ˆ ´ ` http://public.itrs.net/Files/2002Update/2002Update.pdf 10 INTRODUCTION en 1959, « il y a beaucoup de place la-dessous »3 . Il y en a meme de plus en plus ` ˆ car, depuis lors, le nanomonde s’est singulierement etendu. Il est fini le temps ou ` ´ ` les sciences vivaient isolees. La chimie revendique un savoir-faire inegale dans la ´ ´ ´ construction et la comprehension des objets moleculaires et supra-moleculaires. ´ ´ ´ La biologie, moleculaire elle aussi, apporte de nouveaux concepts et ouvre une ´ fenetre sur la richesse du monde vivant. La mecanique trop souvent delaissee est ˆ ´ ´ ´ essentielle dans les micro-systemes. Les nanotechnologies invitent chaque jour ` a travailler a la convergence des sciences. C’est une revolution des esprits, des ` ` ´ structures des laboratoires et des systemes d’education qui est ainsi sollicitee. ` ´ ´ Les jeunes scientifiques devraient etre seduits par l’ampleur et la nouveaute de la ˆ ´ ´ tache : partir a la decouverte d’un monde inconnu, sans devoir suivre des pistes ˆ ` ´ deja balisees. Il faut cependant que les formations universitaires ou profession´` ´ nelles leur donnent les moyens theoriques et conceptuels necessaires. Cet ouvrage ´ ´ a pour ambition de fournir un outil de formation destine aussi bien aux etu´ ´ diants, aux enseignants qu’aux chercheurs. Il est redige par des chercheurs ou des ´ ´ enseignants-chercheurs experts de leur discipline et bien au fait des plus recents ´ developpements de celle-ci. Il a ete concu et redige pour en faire un tout homo´ ´´ ¸ ´ ´ gene et integre, abordable directement par l’un ou l’autre des chapitres avec le ` ´ ´ souci de complementarite des uns et des autres. ´ ´ A la suite de cette introduction, les chapitre 1 a 6 s’interessent aux outils et aux ` ´ instruments qui ont rendu possible le developpement des nanosciences. ´ Les procedes de lithographie et de gravure, en tout premier lieu, qui ont permis ´ ´ de sculpter des objets de plus en plus petits en partant d’un materiau massif selon ´ l’approche dite « top-down », c’est a dire « vers le bas », du macroscopique vers ` le nano. Les limites a la miniaturisation ont ete progressivement repoussees en ` ´´ ´ utilisant pour la lithographie soit des rayonnements UV dont la longueur d’onde de plus en plus courte permet de reduire l’incidence des phenomenes de diffraction ´ ´ ` soit des faisceaux d’electrons, voire des rayons X ou des ions. C’est une des etapes ´ ´ cles dont la maı ´ ˆtrise conditionne toute l’evolution de la miniaturisation. ´ Auto-organisation et auto-assemblage constituent une autre approche pour la fabrication d’objets nanometriques. Il faut en fait remonter aux debuts de l’epi´ ´ ´ taxie par jets moleculaires (EJM) au milieu des annees 1970 pour voir apparaı ´ ´ ˆtre une technique simple et reproductible de preparation de films ultra minces de ´ metaux ou de semi-conducteur dont l’epaisseur peut meme etre reduite a une ´ ´ ˆ ˆ ´ ` unique couche atomique, soit 0.3 nm. La science des objets dans lesquels une seule dimension etait nanometrique a des lors pris son essor : puits quantiques, ´ ´ ` super-reseaux, plans de dopage reduits a une monocouche... ont ete de mieux en ´ ´ ` ´´ mieux maı ˆtrises. Cependant la poursuite de la reduction de la dimensionnalite ´ ´ ´ des objets fabriques a continue a etre recherchee afin de beneficier pleinement ´ ´`ˆ ´ ´ ´ de la suppression des degres de liberte. Il a fallu utiliser des phenomenes phy´ ´ ´ ` siques naturels pour parvenir a une complete mise en forme de la matiere. Par ` ` ` le biais de reconstructions de surface ou de la relaxation des contraintes on peut effectivement preparer directement des objets nanometriques : boı ´ ´ ˆtes et fils quantiques, ˆlots. On peut aussi par cette meme approche mettre en forme un gabarit ı ˆ 3 R.P Feynman, « There is plenty of room at the bottom » Titre d’une conference prononcee le 29 . ´ ´ decembre 1959 accessible au site suivant : http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html ´ R. Feynman a recu le prix Nobel en 1965. ¸ INTRODUCTION 11 sur lequel seront fabriques les objets en question. Seule la maı ´ ˆtrise de tels pheno´ menes permettra de construire la nanoelectronique « bottom-up » c’est a dire « par ` ´ ` le bas », en assemblant directement les nano-objets comme les elements d’un jeu ´´ de Lego. L ’apparition de nouveaux outils d’observation et de manipulation a contribue de ´ facon essentielle au developpement de la discipline. Ils sont bases sur l’utilisation ¸ ´ ´ d’une sonde, tres petite et capable de faire une mesure locale. Le deplacement de ` ´ cette sonde a proximite immediate de l’echantillon grace a des actuateurs piezo` ´ ´ ´ ˆ ` ´ electriques de grande precision permet de suivre la variation du parametre mesure ´ ´ ` ´ et de construire une representation de l’echantillon, une « image » de celui-ci. La ´ ´ diversite des sondes possibles a conduit a la genese de toute une famille d’instru´ ` ` ments. En tout premier lieu le Microscope a Effet Tunnel (encore appele Scanning Tunne` ´ ling Microscope, STM) recueille le courant electronique transitant par effet tunnel ´ entre la surface conductrice et une pointe metallique tres fine situee a proximite. ´ ` ´ ` ´ Cet instrument est en fait une sonde de la densite electronique locale jusqu’a ´ ´ ` l’echelle atomique. ´ La sonde peut egalement detecter les effets d’attraction-repulsion entre la pointe ´ ´ ´ et la surface. Cet instrument baptise Microscope a Force Atomique (Atomic Force ´ ` Microscope – AFM) peut tres bien observer des surfaces isolantes. Il permet en tout ` premier lieu d’etablir une topographie de la surface. Cependant la grande diversite ´ ´ des forces mises en jeu conduit a toute une panoplie d’instruments selon que l’on ` s’interesse aux forces electroniques, magnetiques etc... Dans certains cas la pointe ´ ´ ´ peut tout a la fois servir d’instrument d’observation et d’outil de modification de ` la surface pour deplacer des atomes de facon controlee ou activer des reactions ´ ¸ ˆ´ ´ chimiques localisees. ´ Dans la meme categorie on trouve les microscopies de champ proche optique (ou ˆ ´ Scanning Near Field Optical Microscope-SNOM). Dans ce cas la sonde est une fibre optique amincie de diametre bien inferieur a la longueur d’onde qui collecte ` ´ ` la lumiere et la transporte jusqu’a un detecteur. ` ` ´ Enfin ce chapitre se clot sur la description des nouvelles methodes lithograˆ ´ phiques en developpement qu’elles soient inspirees de la microscopie en champ ´ ´ proche dont la sonde devient moyen d’ecriture, ou bien qu’elles derivent des tech´ ´ niques d’imprimerie (nanoimprint). Les chapitres 7 a 10 s’attachent a une description des differentes familles de nano` ` ´ objets. Leur tres grande diversite et la multiplicite des moyens de preparation mis ` ´ ´ ´ en œuvre temoignent de la vitalite de ce domaine. Leurs proprietes uniques en ´ ´ ´´ font tres souvent des briques elementaires auxquelles on peut avoir recours pour ` ´´ la construction d’assemblages complexes selon la methode dite « du bas vers le ´ haut » (bottom-up). Les agregats. Ce sont des assemblages atomiques prepares par des methodes ´ ´ ´ ´ venues de la physique atomique. Les bases theoriques de leurs proprietes, les ´ ´´ methodes de preparation et leurs applications potentielles sont presentees. ´ ´ ´ ´ Les fullerenes et les nanotubes de carbone sont les plus connus des assemblages ´ ` dont est capable le carbone. Aux formes anciennes que sont le graphite et le diamant sont venues s’ajouter ces formes nouvellement decouvertes. Elles resultent ´ ´ de l’enroulement plus ou moins complexe d’un simple feuillet de graphite. Leurs proprietes theoriques, les methodes de preparation sont detaillees. La richesse de ´´ ´ ´ ´ ´ ´ 12 INTRODUCTION leur proprietes a conduit a envisager un grand nombre d’applications allant de ´´ ` la nanoelectronique au stockage de l’hydrogene en passant par les nanosystemes ´ ` ` electro-mecaniques. ´ ´ Des nanofils de semiconducteurs peuvent egalement etre prepares par des ´ ˆ ´ ´ methodes de synthese directe. De mieux en mieux maı ´ ` ˆtrises ils reproduisent ´ a l’echelle nanometrique la plupart des fonctions dont sont capables les semi` ´ ´ conducteurs. Ils apporteront peut-etre des solutions inedites aux besoins de la ˆ ´ nanoelectronique. ´ La chimie supra moleculaire enfin est la science de l’auto-assemblage et de l’auto´ organisation a l’echelle moleculaire. Beneficiant de la richesse des liaisons chi` ´ ´ ´ ´ miques, elle conduit a une grande diversite d’objets dont les proprietes peuvent ` ´ ´´ conduire aussi bien a des nanomachines qu’a des composants pour l’electronique ` ` ´ moleculaire. ´ Dans les chapitres 11 a 17, la gamme des proprietes et des applications des nano` ´´ objets est decrite en abordant successivement la nanoelectronique, le nanomagne´ ´ ´ tisme, le stockage d’information et enfin l’optronique. La nanoelectronique constitue l’un des principaux enjeux du developpement des ´ ´ nanosciences et des nanotechnologies. Comment s’ecrira l’avenir de l’electronique ´ ´ au bout de plusieurs decennies de miniaturisation ? Une premiere etape baptisee ´ ` ´ ´ ´lectronique ultime decrit les problemes et les possibles solutions qui permettront e ´ ` d’aller au bout de la technologie actuelle et de fabriquer des MOSFET dont la longueur de grille atteindra 25 nm, voire moins. Au dela, les composants devront s’appuyer sur d’autres principes de fonctionne` ment. Les principales solutions en cours d’etude sont decrites. La premiere repose ´ ´ ` sur le transistor a un ´lectron fonde sur le transfert controlable d’electrons entre ` e ´ ˆ ´ ˆlots conducteurs. Une autre approche repose sur le transfert de quanta de flux ı magnetique entre ˆlots supraconducteurs : c’est la logique Rapid Single Flux Quan´ ı tum ou RSFQ. Enfin une troisieme solution utilise les proprietes des petites struc` ´´ tures dites mesoscopiques le long desquelles la fonction d’onde electronique peut ´ ´ garder sa coherence ce qui modifie completement les conditions de transport elec´ ` ´ tronique. L ’avenir ne serait-il pas plutot a rechercher du cote de l’electronique moleculaire ? ˆ ` ˆ ´ ´ ´ Une seule molecule pourrait-elle se comporter comme un transistor ou meme ´ ˆ comme une fonction logique complexe ? Une idee a laquelle certains pensent ´ ` depuis longtemps et qui stimule des recherches tant en theorie qu’en synthese ´ ` moleculaire, ou en mesure des proprietes electroniques des molecules. A cette ´ ´´ ´ ´ famille de l’electronique moleculaire il faut aussi rattacher les composants realises ´ ´ ´ ´ a partir de nanotubes de carbone, qui ont deja montre leur aptitude a permettre ` ´` ´ ` la realisation de fonctions complexes. ´ Une preoccupation dominante de toutes les recherches en nanoelectronique porte ´ ´ sur la necessite d’inventer aussi une nouvelle architecture logique des circuits, ´ ´ une logique capable de gerer l’infinie complexite de cette electronique. ´ ´ ´ Le nanomagnetisme est un domaine important car les materiaux magnetiques ´ ´ ´ sont largement utilises pour le stockage de l’information. Lorsque la taille des ´ points memoires se reduit, il apparaı une dimension limite en dessous de laquelle ´ ´ ˆt la stabilite de l’orientation de l’aimantation n’est plus garantie. Comment repous´ ser cette limite ? Comment simplifier les operations d’ecriture et de lecture de ´ ´ INTRODUCTION 13 l’information ? La decouverte des effets de magnetoresistance geante et de magne´ ´ ´ ´ ´ toresistance tunnel a permis d’imaginer de nouvelles solutions qui sont la base ´ d’une nouvelle discipline, l’electronique de spin, aussi appelee spintronique. Le ´ ´ spin des electrons et son interaction avec des materiaux magnetiques vont jouer ´ ´ ´ des roles de plus en plus determinants. ˆ ´ Le stockage de l’information est une des fonctions essentielles dans le traitement informatique des donnees. Il peut se faire au sein de memoires de masse ou bien ´ ´ de memoires dynamiques en constant echange avec le processeur. Les differentes ´ ´ ´ technologies en concurrence seront comparees et leurs possibilites d’evolution ´ ´ ´ discutees. ´ L ’optronique constitue le quatrieme grand domaine d’application des nanos` ciences. En effet les composants emetteurs de lumiere, que ce soient des diodes ´ ` emettrices de lumiere ou des lasers voient leur proprietes fondamentalement ´ ` ´´ modifiees a l’approche des petites dimensions. Lorsque la taille de la structure ´ ` approche la longueur d’onde associee aux electrons ou aux trous, c’est a dire ´ ´ ` entre 30 et 70 nm selon le materiau, les niveaux d’energie se deplacent et toutes ´ ´ ´ les proprietes d’emission et d’absorption en sont modifiees. De ce fait, l’inte´´ ´ ´ ´ gration de boıtes quantiques aux composants photoniques devient la regle. La ˆ ` propagation de la lumiere elle-meme se trouve fortement affectee si l’indice du ` ˆ ´ milieu est module avec une periode voisine de la longueur d’onde. La formation ´ ´ de bandes permises et interdites transforme alors le dielectrique en materiau ´ ´ a Bande Interdite Photonique. Ce nouveau champ d’investigation stimule le ` rapprochement de l’optique et de la technologie. Enfin, meme les materiaux ˆ ´ metalliques, s’ils sont sous forme de nanostructures, sont capables de rayonner ´ l’energie des plasmons de surface, un effet aux applications parfois surprenantes ´ (effet de passoire optique). L’interface avec la biologie constitue le cinquieme et dernier champ d’applica` tions presente. Les milieux biologiques etant par essence constitues d’unites nano´ ´ ´ ´ ´ metriques ou d’assemblages de telles unites au sein d’une cellule, l’apparition de ´ ´ nouveaux moyens d’investigation ou de manipulation adaptes a cette echelle peut ´ ` ´ etre riche de consequences. L ˆ ´ ’accent est mis sur la nano-photonique dont les principaux effets physiques sont presentes : fluorescence a un ou plusieurs photons, ´ ´ ` elargissement spectral, generation d’harmoniques, transfert d’energie entre parti´ ´ ´ ´ cules (type FRET), champ proche et ondes evanescentes, resonance plasmon deja ´ ´ ´` citee. ´ Les differentes molecules fluorescentes et leur association sont ensuite detaillees ´ ´ ´ ´ ainsi que les techniques d’assemblage qui permettent de les mettre en œuvre : couplage de bio-molecules et de nanoparticules, ingenierie genetique, greffage de ´ ´ ´ ´ molecules fluorescentes. ´ Une instrumentation specifique a ete developpee pour mettre en œuvre ces tech´ ´´ ´ ´ niques : microscopie de fluorescence et spectres de molecules uniques, pinces ´ optiques, microscopies non lineaires (a deux ou trois photons, second et troisieme ´ ` ` harmonique, Coherent Anti-stokes Raman Scattering), champ proche optique, correlation de fluorescence et statistique d’emission de photons. ´ ´ Les applications de la nanophotonique a l’etude des phenomenes biologiques sont ` ´ ´ ` finalement presentees sur un certain nombre d’exemples : etude des milieux cellu´ ´ ´ laires (ouverture de membranes, dynamique de la diffusion membranaire, suivi du trafic intracellulaire), etude de milieux bio-mimetiques (membranes artificielles, ´ ´ 14 INTRODUCTION couches de Langmuir-Blodgett et gels aqueux, application de la methode FRET a ´ ` l’analyse de l’effet des ions calcium sur le pliage des proteines. ´ Modelisation et simulation font l’objet du chapitre 18. L ´ret de la simula´ ’inte ˆ tion comme « outil de microscopie theorique » a l’echelle de l’atome est d’abord ´ ` ´ presente suivi d’une description des principales approches de la simulation. En ´ ´ tout premier lieu on presente la simulation empirique ou semi empirique dont ´ la qualite depend de la precision du potentiel inter-atomique choisi. Ces modeles ´ ´ ´ ` peuvent etre ameliores par la prise en compte des phenomenes quantiques. Les ˆ ´ ´ ´ ` simulations ab initio, enfin, partent d’une description aussi complete que possible ` de l’ensemble des particules presentes. La complexite du probleme et la puissance ´ ´ ` des ordinateurs contraignent cependant a faire des approximations et a limiter ` ` la taille de l’objet pris en compte, si l’on veut garder des temps de calcul raisonnables. Les diverses limitations de ces methodes seront presentees. ´ ´ ´