« Des composants électroniques construits à partir de molécules seraient désormais possible »

Des chercheurs de l’Empa et des partenaires Suisses, des Pays-Bas, d’Israël et du Royaume-Uni ont réussi à résoudre un élément crucial dans la réalisation de ces circuits du futur : Un pont moléculaire pour électrons stable mécaniquement et électroniquement à température ambiante. Ces résultats viennent d’être publiés dans la prestigieuse revue scientifique « Nature Nanotechnology ». L’électronique moléculaire, des circuits électriques composés de molécules, pourrait permettre à l’avenir de construire des appareils électroniques à l’échelle nanométrique et se basant sur des fonctions nouvelles. Néanmoins, les composants devraient être construits et assemblés avec une précision atomique. Des chercheurs du laboratoire « Transport at Nanoscale Interfaces » de l’Empa, dirigé par le professeur Michel Calame, et collaborant avec des partenaires des universités de Bâle et de Berne, de l’Institut Suisse des nanosciences, de l’Université technique de Delft aux Pays-Bas, de l’Université de Lancaster et de l’Université de Warwick au Royaume-Uni, ainsi que de l’Université hébraïque à Jérusalem, ont réussi à former des jonctions moléculaires intégrées entre des électrodes en graphène avec une stabilité inédite. (voir illustration).

Un pont stable

Le plus grand défi : assurer un transport électronique efficace entre les deux électrodes de graphène. Les chercheurs ont choisi une approche simple et non conventionnelle : la construction d’un pont moléculaire pour contrôler le courant. Le pont doit être mécaniquement et électroniquement stable pour éviter toutes fluctuations, inhérentes aux dispositifs nanométriques, et ce, à température ambiante. De plus, pour pouvoir être utilisé dans une application, particulière chaque caractéristique du dispositif doit pouvoir être reproduite à l’identique sur plusieurs échantillons. De plus, le problème de la stabilité mécanique et électronique impose des exigences très différentes aux propriétés du pont. « Un faible couplage entre les orbitales fournit une connexion électronique intéressante entre les deux électrodes en graphène et rend les propriétés de jonction moins sensibles aux fluctuations électroniques locales des électrodes. Cependant, cette stratégie conduit à des connexions mécaniquement instables « , explique Maria El Abbassi, la première auteure de l’article. En revanche, si l’on utilise des molécules qui forment une liaison covalente avec les électrodes de graphène, le système peut être mécaniquement plus stable – mais les propriétés de transport du pont sont mal définies en raison du manque de contrôle de la géométrie et des bords des électrodes conduisant à une forte variation des propriétés électroniques.

La solution ! Une molécule en décomposées en trois parties

Les chercheurs ont réussi à construire un pont moléculaire reproductible combinant les deux propriétés de stabilité mécanique et électronique. Chaque molécule formant le pont se compose de trois composantes : un groupe silane, un groupe fonctionnelle et une chaîne alcane de séparation. La tâche du groupe silane est d’ancrer mécaniquement les molécules au substrat d’oxyde de silicium. Il se lie par une liaison forte et covalente avec le substrat. Le procédé de silanisation offre également un autre avantage souhaité : une couche protectrice est formée sur l’oxyde de silicium. La deuxième partie clé de la molécule est le groupe de fonctionnelle. Sa tâche est de construire un pont pour les électrons entre les deux électrodes de graphène par un processus purement quantique : les orbitales pi des molécules adjacentes sont délocalisées et forment un nuage ou pont électronique avec celles des deux électrodes de graphène. Enfin, la chaîne alcane isole électroniquement l’ancrage mécanique de la fonction électronique. Les molécules ainsi formées sont empilées entre les deux électrodes de graphène et forment un élément conducteur contrôlé.

Trois molécules au choix

Pour le groupe fonctionnelle, les chercheurs ont étudié trois groupes différents. Le premier groupe de tête (CH3) a servi de test. Les jonctions ainsi formés ont une connexion électronique limitée. Un deuxième groupe, le N-carbazole, ne s’est pas avéré idéal, car un pont électronique a été construit, mais n’a pas fourni une stabilité suffisante pour former une voie électronique bien définie. L’augmentation du chevauchement des orbitales a été réussie grâce au troisième candidat – le biphényle N-carbazole – qui a prouvé que la stratégie pourrait en effet conduire à des jonctions stables. Les chercheurs ont également pu montrer que les propriétés électroniques de la construction du pont sont stables à des températures allant de 20 degrés au-dessus du zéro absolu à la température ambiante. « Cela nous a permis de démontrer une stratégie simple mais efficace pour incorporer des fonctions moléculaires dans les systèmes nanoélectroniques de l’avenir « , explique Michel Calame.

Légende image : Représentation schématique des molécules ancrées sur un substrat SiO2/Si (gris). Grâce à la structure contrôlée des molécules, une configuration moléculaire stable se forme et agit comme un pont pour les électrons se déplaçant entre les électrodes et le graphène. Les électrodes en graphène sont mises en contact avec des électrodes métalliques conventionnelles (Or) (jaune). La structure moléculaire ainsi construite rappelle l'architecture d'un arc romain.