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Article

1 - CONTEXTE

2 - EFFET DE RÉDUCTION D'ÉCHELLE

3 - FORCES ÉLECTRO- DYNAMIQUES QUANTIQUES

4 - PHÉNOMÈNES QUANTIFIÉS DANS LES NEMS

5 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Article de référence | Réf : NM120 v1

Forces électro- dynamiques quantiques
Phénomènes quantiques dans les nanostructures

Auteur(s) : Philippe ANDREUCCI, Laurent DURAFFOURG

Date de publication : 10 oct. 2005

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RÉSUMÉ

Les nanostructures diverses sont de plus en plus présentes dans le monde de l’industrie. En effet, ce marché en forte croissance s’approprie le développement et la conception de nouveaux composants microsystèmes. Après un bref rappel du contexte actuel, cet article s’attache à décrire les phénomènes quantiques présents dans les nanostructures mécaniques et électriques (NEMS). L’effet de réduction d’échelle et les phénomènes quantifiés sont notamment abordés. Ainsi, les forces d'électrodynamiques quantiques jusqu'alors ignorées dans le domaine des microcomposants doivent être incluses dans la modélisation des NEMS.

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ABSTRACT

Nanosystems are increasingly used in the industrial world. Indeed, this significantly expanding market is developing and designing new microsystem components. After providing a brief overview of the present situation, this article describes the quantum phenomena present in nanoelectromechanical systems (NEMS). The scale reduction effect and quantified/quantum phenomena are dealt with in particular. The electrodynamic forces in the microcomponent domain which, until now, have not been taken into consideration must therefore be included in the modeling of the NEMS.

INTRODUCTION

Ce dossier tente de faire découvrir un domaine complexe de la physique en s'attachant à décrire les phénomènes quantiques présents dans les nanostructures mécaniques et électriques (NEMS).

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-nm120


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3. Forces électro- dynamiques quantiques

Comme nous l'avons constaté dans le paragraphe précédent, les nanostructures nous amènent à travailler à des échelles largement submicroniques. Lorsque deux objets deviennent très proches et ne sont plus séparés que par une distance comprise entre 10 nm et 500 nm, des forces d'interaction de surface apparaissent. Elles peuvent être répulsives comme attractives selon l'origine du phénomène concerné. En général, elles agissent simultanément et peuvent être listées comme suit :

  • force de Van der Waals (1 nm à 100 nm) ;

  • force de Casimir (50 nm à 1 µm) ;

  • force de répulsion de Pauli (très faible rayon d'action – 0,1 nm) ;

  • force électrostatique (lorsque les potentiels électriques sont différents) ;

  • force de liaison chimique (très faible rayon d'action – liaison covalente, hydrogène, ionique, métallique...) ;

  • force de capillarité (en atmosphère humide).

Les forces chimiques sont diverses et variées et ne seront pas plus détaillées. Leurs rayons d'action sont largement inférieurs aux dimensions considérées. Leur étude sort donc du cadre de ce texte. Lorsque des molécules ou des atomes se rapprochent au point de se recouvrir, les nuages électroniques ont alors une tendance naturelle à se repousser. C'est une illustration du principe d'exclusion de Pauli qui donne le nom à cette force répulsive. Son rayon d'action est de quelques dixièmes de nanomètres. Son étude se situe bien au-delà d'un document introductif, à des échelles inférieures à celles qui nous intéressent.

De même, nous ne parlerons pas des forces de capillarité, car les nanosystèmes étudiés ici doivent précisément fonctionner sous atmosphère sèche afin d'éviter toute capillarité. Ses effets sont néanmoins visibles à certaines étapes de fabrication des composants. La force électrostatique est, quant à elle, très classique et ne sera pas étudiée dans ce dossier. Il nous reste à regarder spécifiquement deux forces d'origine purement quantiques : Casimir et Van der Waals. La force de Casimir est étudiée en premier car c'est un élément majeur des nanosystèmes.

3.1 Force de Casimir

...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - HIEROLD (C.) -   From micro- to nanosystems mechanical sensors go nano.  -  J. Micromech. Microeng., vol. 14, p. S1– S11, août 2004.

  • (2) - CASIMIR (H.B.G.) -   On the attraction between two perfectly conducting plates.  -  Proc. Kon. Ned. Akad. Wettenschap, 51, p. 793 à 795 (1948).

  • (3) - LAMOREAUX (S.K.) -   Demonstration of the Casimir Force in the 0,6 to 6 µm Range.  -  Phys. Review Letters, vol. 75, no 1, p. 5 à 8, janv. 1997.

  • (4) - CASIMIR (H.B.G.), POLDER (D.) -   The Influence of Retardation on the London-van der Waals Forces.  -  Phys Review, vol. 73, p. 360 à 372, fév. 1948.

  • (5) - GENET (C.) -   La force de Casimir entre deux miroirs métalliques à température non nulle.  -  Thèse Doctorat Université Paris VI, Paris, juil. 2002.

  • (6) - SERRY (F.M.) and al -   The...

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