FR2927215A1 - Dispositif nanoelectromecanique de generation de courant alternatif - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif nanoélectromécanique (1) de génération de courant alternatif, caractérisé en ce qu'il comporte un nanoélément semi-conducteur (2) allongé suspendu par ses extrémités (2a, 2b) entre deux électrodes (3, 4) à une hauteur h au dessus d'un élément capacitif (5), ledit élément capacitif (5) et au moins une des électrodes (3, 4) de suspension du nanoélément semi-conducteur (2) étant reliés chacun à un générateur de tension continue (6, 7) pour alimenter ledit élément capacitif (5) et une dite électrode (3, 4) et ainsi provoquer une oscillation spontanée du centre (C) du nanoélément semi-conducteur (2) générant un courant alternatif (Isd) au sein de celui-ci
Description
La présente invention concerne le domaine des nanotechnologies et, plus particulièrement, le domaine de la production de courants alternatifs à l'échelle nanométrique.
L'invention propose dans ce domaine particulier un dispositif nanoélectromécanique de génération d'un courant alternatif ainsi qu'un procédé de génération d'un courant alternatif à l'aide d'un tel dispositif nanoélectromécanique.
A ce jour, les dispositifs nanoélectromécaniques connus (traditionnellement nommés sous l'acronyme nems , pour nano electromechanical systems en anglais), comme leurs précurseurs, les dispositifs microélectromécaniques (nommés sous l'acronyme mems pour micro electromechanical systems en anglais) présentent un très grand intérêt pour un grand nombre d'applications technologiques telles que la micro-informatique et les télécommunications, notamment sans fil. Ces dispositifs sont exclusivement des systèmes ou composants passifs qui, pour fonctionner, doivent être alimentés par des signaux électriques alternatifs externes procurés par un générateur extérieur, au mieux de dimensions micrométriques, fournies par un quartz ou un nems reliés à un circuit électronique actif.
Les systèmes et dispositifs nanoélectromécaniques ne peuvent donc générer de signaux alternatifs propres et de façon indépendante.
De plus, l'alimentation par des générateurs extérieurs de tels dispositifs nanoélectromécaniques tend à perturber le fonctionnement de ces dispositifs et, à tout le moins, la détection et le contrôle des signaux de sortie produits par ces dispositifs du fait de leur intensité relativement forte en comparaison des signaux de sortie des dispositifs nanoélectromécaniques.
De ce fait, le développement des systèmes nanoélectromécaniques et leurs utilisations sont à ce jour considérablement limités.
Aussi, le but de la présente invention est de proposer un dispositif nanoélectromécanique qui ne souffre pas les limitations des dispositifs de ce type connus à ce jour et, notamment, qui ne nécessitent pas une alimentation en courant électrique alternatif externe pour son fonctionnement.
Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif nanoélectromécanique qui soit capable de générer un signal alternatif sans signal d'alimentation alternatif externe et puisse ainsi constituer un générateur de courant alternatif à l'échelle nanométrique qui puisse remplacer à terme notamment dans les systèmes de télécommunications des résonateurs tels que les quartz ou des nems associés à des circuits électroniques actifs.
Pour répondre à ces objectifs, la présente invention propose un dispositif nanoélectromécanique de génération de courant alternatif, caractérisé en ce qu'il comporte un nanoélément semi-conducteur allongé suspendu par ses extrémités entre deux électrodes à une hauteur h au dessus d'un élément capacitif, ledit élément capacitif et au moins une des électrodes de suspension du nanoélément conducteur étant reliés chacun à un générateur de tension continue pour alimenter ledit élément capacitif et une dite électrode et ainsi provoquer une oscillation spontanée du centre du nanoélément semi-conducteur générant un courant alternatif au sein de celui-ci.
Le dispositif de l'invention consiste donc essentiellement, dans sa forme de réalisation la plus simple, en un nanoélément semi-conducteur suspendu par ses deux extrémités au dessus d'un élément capacitif entre deux électrodes, c'est-à-dire dans une configuration de transistor, les deux électrodes faisant office de source et de drain. Sous l'effet d'une simple tension continue sur l'élément capacitif et sur le drain, on obtient une mise en mouvement spontanée du nanoélément par effet d'auto-oscillation qui engendre la création au sein du nanoélement d'un courant alternatif.
Ainsi le dispositif de l'invention permet de créer un signal alternatif sur le nanoélément semi-conducteur résonnant par phénomène d'auto-oscillation.
Un tel dispositif nanoélectromécanique ouvre la voie à une meilleure miniaturisation des systèmes de télécommunication sans-fil, ainsi qu'à une réduction de la consommation d'énergie de ces derniers.
Par ailleurs, un tel dispositif peut constituer un nanogénérateur de courant alternatif permettant de s'affranchir des dispositifs d'alimentation alternative externe au sein de systèmes microniques, ce qui permet de s'affranchir des signaux parasites (crosstalk) induits par de telles alimentation externes et peut faciliter la détection de faibles signaux.
Conformément à une première caractéristique privilégiée du dispositif de l'invention, le nanoélément semi-conducteur est constitué d'un matériau semi-conducteur dont les dimensions caractéristiques sont comprises entre 1 et 100 nm. On entend ici par dimensions caractéristiques les dimensions représentatives de la géométrie du nanoélément telles que la hauteur, la largeur ou le diamètre de celui-ci selon qu'il présente une section rectangulaire ou circulaire par exemple.
De plus, il est également souhaitable que la longueur L du nanoélément semi-conducteur entre ses extrémités soit comprise entre 1 et 104 nanomètres.
Toujours selon l'invention et une autre caractéristique avantageuse de celle-ci, le nanoélément semi-conducteur est de préférence suspendu d'une hauteur h comprise entre 10 et 103 nanomètres au dessus de l'élément capacitif.
Ces différents paramètres structurels du dispositif de l'invention correspondent aux conditions privilégiées dans lesquelles le phénomène d'auto-oscillation du nanoélément semi-conducteur du dispositif ainsi qu'un courant alternatif peuvent être induits et contrôlés.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le nanoélément semi-conducteur est constitué d'un nanofil constitué d'un matériau semi-conducteur choisi parmi le groupe suivant : silicium ; carbure de silicium ; oxyde de zinc.
Dans un autre mode de réalisation, le nanoélément semi-conducteur peut également être constitué d'un nanotube notamment constitué alors d'un matériau tel que du carbone ou du nitrure de bore.
Toujours selon l'invention, l'élément capacitif du dispositif nanoélectromanique proposé comporte une grille conductrice, notamment constituée de silicium dégénéré et recouverte d'une couche d'oxyde, notamment de dioxyde de silicium (SiO2).
En variante, l'élément capacitif peut également être constitué par une électrode conductrice d'épaisseur comprise entre 1 nm et 100 nm sur un 10 substrat isolant tel que du dioxyde de silicium (SiO2).
Par ailleurs et toujours selon l'invention, le nanoélément semi-conducteur et les électrodes de suspension du dispositif de l'invention peuvent être constitués du même matériau semi-conducteur, notamment du silicium, les électrodes étant alors de préférence rendues plus conductrices
15 que le nanoélément par dopage.
Un tel dopage peut être par exemple réalisé à base de phosphore (P), d'Arsenic (As), d'Antimoine (Sb), de Bore (B), d'Aluminium (Al) ou de Gallium (Ga) dans des concentrations pouvant aller jusqu'à 1020 cm-3 afin que le semi-conducteur soit dégénéré.
20 Les électrodes de suspension du nanoélement semi-conducteur peuvent également, dans un mode de réalisation plus classique, être constitués de métal, et notamment de paladium ou d'or.
Le dispositif nanoélectromécanique de l'invention, permet, comme on l'a indiqué précédemment, de générer en son sein un courant alternatif
25 produit par auto-oscillation d'un nanoélément semi-conducteur suspendu entre deux électrodes au dessus d'un élément capacitif.
Conformément à un objet complémentaire de la présente invention, la génération d'un tel courant alternatif est obtenue selon un procédé dans lequel on alimente, sous une première tension continue, l'élément capacitif 30 du dispositif nanoélectromécanique de l'invention et, sous une seconde tension continue, l'une des électrodes de suspension de ce nanoélément, de manière à provoquer une oscillation spontanée du centre du nanoélément entre les deux électrodes de suspension au-dessus de l'élément capacitif, cette auto-oscillation du nanoélement générant alors ledit courant alternatif au sein dudit nanoélément.
De préférence, dans ce procédé, les tensions continues d'alimentation respectivement de l'élément capacitif et d'une des électrodes de suspension du nanoélément conducteur sont choisies comprises entre 0 et 10 volts.
Cette gamme de tension correspond à celle typiquement utilisée dans les dispositifs electromécaniques tels que les NEMS. En effet, des tensions supérieures, bien qu'envisageables sur le plan théorique, ne présentent aucun interêt pratique pour des applications où une faible consommation d'énergie est recherchée comme celles privilégiées pour le dispositif de l'invention.
De façon avantageuse, il est également possible, selon le procédé de l'invention, de faire varier la fréquence du courant alternatif au sein du nanoélément conducteur en faisant varier l'une des tensions d'alimentation continues de l'élément capacitif ou d'une des électrodes.
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif et du procédé de la présente invention ressortiront à la lecture de la description détaillée faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes d'organisation préférées d'un dispositif nanoélectromécanique conforme à la présente invention.
Sur ces figures :
La figure 1 représente en coupe longitudinale un dispositif nanoélectromécanique conforme à l'invention dans un premier mode de réalisation ;
La figure 2 représente en perspective un dispositif nanoélectromécanique conforme à l'invention dans un second mode de réalisation,
La figure 3 représente un schéma électrique équivalent des dispositifs représentés aux figures 1 et 2.
Un premier mode de réalisation préféré du dispositif nanoélectromécanique de l'invention est représenté sur la figure 1. Ce dispositif 1 comporte en premier lieu un nanoélément 2, par exemple un nanofil ou un nanotube, d'un matériau semi-conducteur de préférence choisi parmi le silicium (Si), le carbure de silicium (SiC), ou l'oxyde de zinc (ZnO) si le nanoélément 2 est un nanofil ou encore parmi le carbone (C) ou le nitrure de bore (BN) si le nanoélément 2 est un nanotube.
Le nanoélément semi-conducteur 2, qu'il soit un nanofil ou un nanotube, présente de préférence une longueur L, prise entre ses extrémités 2a, 2b comprise entre 1 et 104 nanomètres, pour un diamètre compris entre 1 et 100 nanomètres. Il se trouve suspendu par ses extrémités 2a, 2b à une hauteur h au dessus d'un élément capacitif 5, de préférence en forme de plaque, et constitué dans l'exemple représenté par une grille conductrice 5a, par exemple constituée de silicium dégénéré, recouverte d'une couche d'oxyde 5b, par exemple de dioxyde de silicium (SiO2). Plus précisément, la hauteur h correspond rigoureusement à la distance entre le nanoélément 2 et la grille conductrice 5a. Cette dernière est raccordée à la borne d'un générateur de tension continue réglable 6, apte à délivrer une tension continue VG dans l'élément capacitif 5.
Les extrémités 2a, 2b du nanoélément 2 sont avantageusement fixées chacune par toute technique appropriée sur une électrode de soutien 3, 4 qui sont elles-même positionnées et fixées sur l'élément capacitif 5.
Ces électrodes 3, 4 sont dans une première variante de réalisation constituées classiquement d'une couche métallique conductrice d'une dizaine à quelques centaines de nanomètres d'épaisseur, par exemple d'or ou de palladium. Une première électrode 3, que nous nommerons par la suite source 3, est raccordée à la masse du dispositif 1 ; l'autre électrode 4 que nous nommerons par la suite drain 4, est quant à elle raccordée à la borne d'un générateur de tension continue réglable 7, apte à délivrer une tension continue VSd dans le drain 4.
Dans une autre variante de réalisation, notamment dans le cas d'un nanoélément 2 formé d'un nanofil de silicium, les électrodes 3, 4 peuvent être constituées du même matériau, que le nanofil 2 et rendues plus conductrices que ce dernier par implantation ou dopage. Ce dopage peut en particulier être réalisé avec du phosphore (P) de l'Arsenic (As), de l'antimoine (Sb), du bore (B), de l'aluminium (Al) ou du Gallium (Ga), implantés dans des concentrations pouvant aller jusqu'à 1020 cm-3 afin que le semi-conducteur soit dégénéré.
Cette forme de réalisation du dispositif NEMS de l'invention est notamment avantageuse car elle estcompatible avec la technologie actuelle de production de MEMS la plus répandue dans l'industrie, notamment avec des substrats SOI (silicon on insulator). Dans cette forme de réalisation, l'électrode 3 ou source 3 est également raccordée à la masse pendant que l'électrode 4 ou drain 4 est raccordé à un générateur de tension continue réglable 7.
Quelle que soit la variante de réalisation choisie, l'épaisseur des électrodes 3, 4 et celle de l'oxyde 5b sont choisies et réalisées de telle sorte que la hauteur h de suspension du nanoélément 2 au dessus de l'élément capacitif 5a soit comprise entre 10 et 103 nanomètres.
Un second mode de réalisation préféré du dispositif nanoélectromécanique 1 de la présente invention est représenté à la figure 2.
Dans ce mode de réalisation, le dispositif 1 comporte un élément capacitif 5' dont la structure diffère de celle de l'élément capacitif 5 présenté à la figure 1 en ce qu'elle comporte une électrode conductrice 5'a constituée classiquement d'une couche métallique conductrice, par exemple d'or (Au), de palladium (Pd) ou de silicium dégénéré, reliée au générateur de tension continue réglable 6 et d'une épaisseur comprise préférentiellement entre 1 nm et 100 nm.
Cette électrode est déposée sur une plaque de substrat isolant 5'b, notamment de dioxyde de silicium SiO2.
Les autres éléments du dispositif 1, à savoir le nanoélément 2 et les électrodes source et drain 3, 4 ainsi que leur coopération et connections respectives sont identiques au dispositif décrit à la figure 1.
Les différents paramètres structurels préférentiels indiqués ci-avant pour le nanoélément 2 dans le dispositif nanoélectromécanique 1 de l'invention ont été déterminés par les inventeurs comme étant ceux autorisant à la fois une réalisation et une mise en oeuvre industrielle de l'invention par des moyens connus tout en permettant un fonctionnement contrôlé et reproductible du dispositif 1. Plus particulièrement, ces paramètres sont choisis de manière à permettre la production d'un courant alternatif au sein du nanoélément 2 par auto-oscillation de celui-ci comme il sera explicité dans la suite de la présente description.
En effet, Le dispositif nanoélectromécanique 1 de l'invention présenté aux figures 1 et 2 constitue un résonateur dont la structure s'apparente à celle d'un transistor, les deux électrodes 3, 4 de suspension du nanoélément semi-conducteur 2 faisant office, comme indiqué précédent de source et de drain.
Ce dispositif 1 permet de façon entièrement nouvelle et surprenante, sous l'application d'une tension continue VG sur l'élément capacitif 5, 5' et d'une tension continue VSd sur le drain 4 d'engendrer une mise en oscillation spontanée du nanoélément 2 suspendu par ses extrémités 2a, 2b entre source 3 et drain 4 du dispositif.
Cette auto-oscillation, représentée par un déplacement verticale x du centre C du nanoélément 2 sur la figure 1, induit alors au sein du nanoélement 2 un courant alternatif Isd, dont la fréquence est identique à la fréquence d'oscillation du nanoélément semi-conducteur 2 excité. On peut ainsi obtenir un courant alternatif auto-généré et entretenu au sein d'un dispositif nanoélectronique 1, dont l'intensité peut atteindre plusieurs micro-Ampère en fonction des tensions VG et VSd appliquées sur l'élément capacitif 5, 5' et le drain 4, ces deux tensions pouvant être comprises entre 0 et +/-10 volts de préférence.
Une autre caractéristique avantageuse de l'invention réside dans le caractère accordable de la fréquence du courant alternatif Isd induit dans le nanoélément 2 du dispositif 1 en faisant varier l'une des tensions d'alimentation VG ou VSd de l'élément capacitif 5, 5' ou du drain 4 du dispositif 1.
Le principe de fonctionnement du dispositif résonateur nanoélectrique 1 de la présente invention va maintenant être décrit de façon plus théorique en référence à la figure 1 et à la figure 3, qui présente un shéma électrique équivalent des réprésentations structurelles du dispositif 1 données aux figures 1 et 2.
Le principe fondamental de fonctionnement du dispositif 1 de l'invention réside dans la provocation d'une instabilité mécanique au centre C du nanoélément 2 du dispositif 1. Cela est réalisé en créant un couplage électrique entre l'élément mécanique constitué par le nanoélément semi-conducteur 2 en son centre C et l'élément capacitif 5, 5' du dispositif nanoélectromécanique 1 par application des tensions VG et VSd.
Le système électromécanique constitué alors par le dispositif 1 comporte deux paramètres libres qui sont la position verticale, x, du centre C du nanoélément 2 et le potentiel électrique, V*, du nanoélement 2 en son centre C, les paramètres imposés au système étant les potentiels de VG et VSd. L'évolution des paramètres libres x et V* est déterminée par deux équations différentielles couplées. Dans la majorité des cas les solutions des équations se traduisent par une déformation statique du nanoélément 2 et la position immobile est stable.
En optimisant le système et le couplage, on obtient au dessus d'une valeur limite d'un paramètre imposé, par exemple la tension Vg, une instabilité du centre C du nanoélément 2, et la position x commence alors à osciller. Dans ce cas, la moindre perturbation à l'intérieur ou dans l'environnement du dispositif nanoélectromécanique 1, ne serait-ce que le bruit thermique par exemple, permet au nanoélément 2 de gagner de l'énergie, ce qui entraine une amplitude d'oscillation de son centre C de plus en plus importante et permet de fait au nanoélément 2 d'emmagasiner encore d'avantage d'énergie. Au final le centre C du nanoélément 2 décrit une trajectoire alternative suivant les oscillations auto-entretenues du centre C du nanoélément 2 entre deux positions extrêmes +x(max) et -x(max), cette trajectoire traduisant le nouvel état stable du dispositif 1 et de son nanoélément 2.
D'un point de vue électrique, cela se traduit par la production d'un courant alternatif induit Isd au sein du nanoélément 2 entre la source 3 et le drain 4, ce courant alternatif Isd oscillant à la même fréquence que l'oscillation mécanique du centre C du nanoélément 2.
Les études menées par les inventeurs ont permis de démontrer qu'une telle instabilité peut être générée en régime de sous seuil, c'est-à-dire un régime de fonctionnement dans lequel le courant varie de manière exponentielle avec la tension de grille VG. L'interêt d'un tel régime est de faciliter les calculs démontrant la faisabilité et la viabilité du dispositif de l'invention car seul intervient le courant de diffusion.
Une fois en auto-oscillation le dispositif nanoélectromécanique 1 passe ensuite en régime au dessus du seuil, et l'on dit également qu'il devient passant. Le phénomène d'auto-oscillation ne se limite donc pas au régime de sous seuil, mais il va être démontré ci-après pour ce régime pour les raisons indiquées ci-avant.
Le système physique constitué par le dispositif nanoélectromécanique 1 de l'invention peut alors être réduit à un système à deux paramètres libres pouvant être décrit par deux équations mécanique et électrique couplées et les conditions physiques suffisantes pour que le phénomène d'auto-oscillation du nanoélément 2 apparaisse dans ce système sont alors les suivantes.
Sur le plan mécanique, la déformation du nanoélément 2 du dispositif 1 correspond à la solution d'une équation différentielle du 4ème ordre mais qui peut être ramenée plus simplement à l'équation d'un oscillateur amorti soumis à une force électrostatique Fe,tel que : F x+ ùx+ co2x = e! (1) m eff
avec :
- x la position verticale du centre C du nanoélément 2 selon l'axe x sur la figure 1,
- oh la fréquence propre du dispositif 1 sans contrainte, - Q le facteur de qualité du nanoélément semi-conducteur 2, - w la fréquence de résonnance du dispositif 1 sous contrainte, - meff la masse effective, -Fei = 2 Cg' (VG-V*)2, où Cg' est la dérivée de la capacité entre le
nanoélément 2 et l'élément capacitif 5 du dispositif, VG la tension continue 5 appliquée à l'entrée dudit élément capacitif 5 et V* la tension au centre C du nanoélément.
La fréquence de résonnance w du système formé par le dispositif 1 peut prendre différentes formes suivant les régimes de tension ou de slack mais on peut ici considérer que : 10 w2=wo+ATe=wo+B(VgùV*)2 (2) avec A et B qui sont des constantes, et Te la tension électrostatique. Soit après regroupement, on obtient l'équation mécanique suivante : x+ -° x+CO2ixùxo)+ p(Vg ùV*)2x =0 (3) Q
avec :
15 - p une constante positive car c'est ce qui est vu le plus souvent expérimentalement, et
- xo une constante liée à la position d'équilibre du nanoélément 2 au repos.
En linéarisant ensuite cette équation pour chercher un éventuel seuil 20 d'auto-oscillation avec : x=Xeq +X et V* ù Vo+VI où :
- Xeq est la position d'équilibre sans oscillation et
- Vo est la tension continue au centre C du nanoélément 2,
25 on obtient alors l'équation suivante d'équilibre mécanique du système
formé par le dispositif 1 de l'invention : 0 X+ ° X+ (w02 + p(Vg ù V° )2 )X = -2 p(Vg ù Vo )xegV (4) Sur le plan électrique, en se référant plus particulièrement à la figure 3, l'équilibre du système formé par le dispositif nanoélectromécanique 1 de l'invention répond, par application de la loi des noeuds au centre C du nanoélément 2, en considérant un courant entrant Id qui vient du drain 4, et des courants sortant IS vers la source 3 et Ig vers l'élément capacitif 5, à l'équation suivante : + Ig =I d (5) Avec a I g = - dt (Cg (Vg - V * )) (6)
En considérant comme réprésenté sur la figure 3, les électrodes 3, 4 de source et drain liées au nanoélément 2 du dispositif 1 comme deux résistances variables provenant de semi-conducteurs de type n et en se plaçant dans le régime de sous seuil, c'est-à-dire tel que tel que la tension continue VG est inférieure à la tension de seuil Vth (type n), on a en première approximation un courant de source dominé par la diffusion d'où : I ùAn(y=ùL/2)ùn(y=0) S L/2 (7) Où :
- A est une constante positive,
- L la longueur du nanoélément 2 et -n le nombre de porteurs en un point Y du nanoélément 2 (tel que représenté orienté selon l'axe Y sur la figure 1). De même on peut alors considérer que le courant de drain est tel que: I ùBn(y=0)ùn(y=L/2) d L/2 (8) avec B une autre constante assez proche de A25 Dans le régime de sous seuil le nombre de porteur est thermiquement activé d'où l'on tire pour les équations suivantes : 2A q(Vg-Vth) q(Vg-V*-Vth ) Is = L (e skT ù e skT ) (7.1) et 2B q(Vg-V*-Vth) q(Vg-Vsd-Vth) Id L (e skT ù e skT Où, dans les deux équations (7.1) et (8.1), s est une constante sans dimension liée à la pente de sous seuil (ski) et à la capacité entre le nanoélément 2 et l'élément capacitif 5, et donc s dépend de la position x du centre C du nanoélément 2 (avec k la constante de Boltzmann et T la température). On peut ensuite linéariser le deuxième terme dans l'équation (7.1) en sachant que si x augmente l'effet de l'élément capacitif 5 se fait plus sentir donc il y a plus de porteurs et que si V* augmente on réduit l'effet de VG donc le nombre de porteur diminue d'où : q(Vg-V*-Vth) q(Vg-Vo-Vth) e skT = e skT (1+ aX)(1ù q V) (9) skT Où a est une constante positive. D'où en rassemblant les termes oscillants du premier ordre et en négligeant les variations de capacité comme dans le cas d'un nanogénérateur à émission de champ (c'est-à-dire dC que dtg = 0), on a l'équation 5 qui 20 devient: 2A q(VgùVoùVth) e skT L 2B q(Vg-Vo-Vth) _ skTVI)+CgVI = L e skT (aXûskTV ) (10) Soit au final, en prenant A=B pour simplifier on obtient : 4A q(VgùVoùVth) 4A q(VgùVo-Vth) e skT aX _ e skT q V + Cg V (11) L skT Partant, on peut ensuite considérer qu'il y a instabilité du dispositif 1 de l'invention, et donc déclenchement de l'auto-oscillation du nanoélement 2, lorsque les pertes de l'oscillateur mécanique en cù0/Q sont compensées par le gain en énergie électrique c'est-à-dire, en combinant les équations (4) et (11) lorsque : w° 2* p(V ù V )xe LaskT SkTC -g`Vg Vo Vth) + ° skT Q SkTC L qùg(VgùVpùVth) g e > 0 4Aq(1+(w g e skT )2) 4Aq (12) Ceci se produit par exemple lorsque la tension continue V° au centre C du nanoélément est grande et que le facteur de qualité du nanoélément 2 est suffisamment élevé. Ce phénomène d'auto-oscillation est observable pour un dispositif 1 conforme à celui de l'invention équipé d'un nanoélément 2 tel qu'un nanotube de carbone semiconducteur et semimétallique, ou d'un nanofil semiconducteur top down ou bottom up par exemple, le type p ou n du semi-conducteur important peu. A titre d'exemple, un nanogénérateur 1 comprenant un nanotube 2 de carbone suspendu de fréquence propre w0 = 100 MHz et dont le facteur de qualité Q= 10 000, ce qui correspond aux meilleures valeurs obtenues jusqu'ici pour un nanotube de carbone. Dans ces conditions, en appliquant une tension de grille Vg=5V on a couramment 2p(Vg-V°)2^' (002. La position d'équilibre statique xeq du centre du nanotube 2 est alors telle que xeq = 1 nm et le rapport kT/q= 25 mV à température ambiante (20°C). Par approximation on peut alors considérer que a Cg'/Cg avec Cg=10-l' F et C'g=10-10 F/m. L 15 A (VgùVoùVth) En posant 4ùe skT L 'off et z = (CgxskT) gloff woz alors, on choisi Vo pour que la fonction 1 + wozz2 soit maximale c'est-à-
dire lorsque cùoTN1, ce qui correspond à une valeur de Ioff=25 pA. Une telle 5 intensité Ioff est obtenue pour Vo de l'ordre de 10 mV, avec une constante s=5.
Dans ces conditions, on constate que l'inégalité définie à l'équation (12) ci-dessus est bien vérifiée, et en conséquence qu'on a bien une oscillation auto-entretenue du nanotube de carbone 2 du dispositif induisant un courant
10 alternatif au sein du dispositif 1.
Le dispositif nanoélectronique 1 de la présente invention constitue ainsi un nanogénérateur de courant alternatif, ce qui n'était, jusqu'à l'invention, pas réalisable ou réalisé. Ce dispositif peut également être utilisé pour réaliser à l'échelle nanométrique des éléments fonctionnels tels qu'un
15 convertisseur de courant continu en courant alternatif (DC-AC), un filtre haute-fréquence, un mélangeur de fréquence ou un amplificateur.
Enfin, on prenant en compte des effets non-linéaires qui donneront lieu à des effets d'hysteresis on peut également envisager d'exploiter le dispositif de l'invention pour réaliser des mémoires volatiles nanométriques.
Claims (10)
1 - Dispositif nanoélectromécanique (1) de génération de courant alternatif, caractérisé en ce qu'il comporte un nanoélément semi-conducteur (2) allongé suspendu par ses extrémités (2a, 2b) entre deux électrodes (3, 4) à une hauteur h au dessus d'un élément capacitif (5), ledit élément capacitif (5) et au moins une des électrodes (3, 4) de suspension du nanoélément semi-conducteur (2) étant reliés chacun à un générateur de tension continue (6, 7) pour alimenter ledit élément capacitif (5) et une dite électrode (3, 4) et ainsi provoquer une oscillation spontanée du centre (C) du nanoélément semi-conducteur (2) générant un courant alternatif (Isd) au sein de celui-ci.
2 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit nanoélément semi-conducteur (2) est constitué d'un matériau semi-conducteur dont les dimensions caractéristiques sont comprises entre 1 et 100 nm.
3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la longueur L 15 du nanoélément semi-conducteur (2) entre ses extrémités (2a, 2b) est comprise entre 1 et 104 nanomètres.
4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le nanoélément semi-conducteur (2) est suspendu d'une hauteur h comprise entre 10 et 103 nanomètres au dessus de l'élément capacitif (5). 20
5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le nanoélément semi-conducteur (2) est constitué d'un nanofil constitué d'un matériau semi-conducteur choisi parmi le groupe suivant silicium ; carbure de silicium ; oxyde de zinc.
6 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le 25 nanoélément semi conducteur (2) est constitué d'un nanotube notamment constitué d'un matériau tel que du carbone ou du nitrure de bore.
7 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'élément capacitif (5) comporte une grille conductrice (5a), notament de silicium dégénéré, recouverte d'une couche d'oxyde (5b), notamment de 30 dioxyde de silicium (SiO2).
8 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'élément capacitif (5) est une électrode conductrice d'épaisseur compriseentre 1 nm et 100 nm sur un substrat isolant, notamment du dioxyde de silicium.
9 - Dispositif suivant les revendications 1 à 8 dans lequel le nanoélément semi-conducteur (2) et les électrodes de suspension (3, 4) sont constitués du même matériau semi-conducteur, notamment du silicium, les électrodes (3, 4) étant plus conductrices que le nanoélément (2) par dopage. -Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les électrodes de suspension (3, 4) du nanoélément conducteur (2) sont constituées de métal, notamment de palladium ou d'or.
10 11 - Procédé de génération d'un courant alternatif (Isd) à l'aide d'un dispositif nanoélectromécanique (1) selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel on alimente sous une première tension continue Vg l'élément capacitif (5) du dispositif (1) et sous une seconde tension continue Vsd l'une des électrodes (3, 4) de suspension du nanoélément conducteur (2) du dispositif de manière à provoquer une oscillation spontanée du centre (C) du nanoélément conducteur (2) entre les deux électrodes de suspension au-dessus de l'élement capacitif (5), cette auto-oscillation du nanoélément conducteur (2) générant un dit courant alternatif Isd au sein dudit nanoélément. 12 - Procédé selon la revendication 11, dans lequel les tensions continues Vg et Vsd d'alimentation respectivement de l'élément capacitif (5) et d'une des électrodes de suspension (3, 4) du nanoélément conducteur (2) sont comprises entre 0 et 10 Volts. 13 - Procédé selon la revendication 11 ou 12, dans lequel on fait varier la fréquence du courant alternatif (Isd) généré au sein du nanoélément semi-conducteur (2) par variation de l'une des tensions d'alimentation continue Vg, Vsd de l'élément capacitif (5) ou d'une électrode (3, 4) du dispositif nanoélectromécanique (1). 14 - Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 10 30 pour réaliser à l'échelle nanométrique l'un des éléments fonctionnels suivant : - un convertisseur de courant continu en courant alternatif, 18- un filtre haute-fréquence, - un mélangeur de fréquence, - un amplificateur.
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