L’électronique moléculaire repousse les limites de la miniaturisation des composants

La miniaturisation des composants électroniques atteint ses limites physiques, remettant en question la loi de Moore. Une solution émergente se profile : l’électronique moléculaire. Des chercheurs aux États-Unis ont développé une approche novatrice pour contrôler la conductance à l’échelle moléculaire, ouvrant de nouvelles possibilités pour l’avenir des dispositifs électroniques.

L’utilisation de molécules individuelles comme composants électroniques représente une voie prometteuse pour poursuivre la miniaturisation des appareils électroniques. Cependant, la nature dynamique de ces composants moléculaires uniques affecte les performances des dispositifs et impacte leur reproductibilité.

Le professeur Charles Schroeder, titulaire de la chaire James Economy en science et ingénierie des matériaux et professeur d’ingénierie chimique et biomoléculaire à l’Université de l’Illinois, a déclaré : «Dans le domaine de l’électronique moléculaire, il faut prendre en compte la flexibilité et le mouvement des molécules et leur impact sur les propriétés fonctionnelles». Il a ajouté : «Il s’avère que cela joue un rôle significatif dans les propriétés électroniques des molécules. Pour surmonter ce défi et obtenir une conductivité constante indépendamment de la conformation, notre solution a été de préparer des molécules à squelette rigide.»

Les molécules à squelette rigide

Les chercheurs ont rapporté une stratégie unique pour contrôler la conductance moléculaire en utilisant des molécules à squelette rigide, telles que les molécules de type échelle, connues pour leur forme persistante. Ces molécules présentent une séquence ininterrompue de cycles chimiques avec au moins deux atomes partagés entre les cycles, ce qui «verrouille» la molécule dans une certaine conformation.

Xiaolin Liu, chercheur postdoctoral, a expliqué : «Pour une molécule présentant de multiples conformations, la variation de conductance est très importante, parfois 1000 fois différente. Nous avons décidé d’utiliser des molécules de type échelle, qui conservent leur forme, et elles ont montré un ensemble stable de conformations rigides, nous permettant d’obtenir une conductance de jonction moléculaire stable et robuste.»

Une méthode de synthèse innovante

Pour contrôler la conductance moléculaire des molécules à forme persistante, l’équipe a utilisé une stratégie de synthèse unique dite de «ladderisation en une étape». Cette méthode a produit des molécules en échelle chargées et chimiquement diverses. Contrairement aux méthodes de synthèse traditionnelles qui utilisent des matériaux de départ coûteux et sont généralement des réactions à deux composants, la stratégie en une étape multicomposants, également appelée synthèse modulaire, utilise des matériaux de départ plus simples et disponibles dans le commerce.

Liu a souligné : «Nous pouvons utiliser de nombreuses combinaisons différentes de ces matériaux de départ et créer une riche diversité de molécules produits adaptées à l’électronique moléculaire.»

Application à d’autres structures moléculaires

Les chercheurs ont appliqué les règles apprises des molécules de type échelle et ont démontré la large applicabilité de la persistance de forme en concevant, synthétisant et caractérisant les propriétés électroniques d’une molécule en forme de papillon. Ces molécules possèdent deux «ailes» de cycles chimiques et, comme les molécules en échelle, présentent une structure dorsale verrouillée et une rotation contrainte.

Cette avancée ouvre la voie à la conception d’autres matériaux fonctionnels et, à terme, à des dispositifs plus fiables et plus efficaces. La recherche, menée par le professeur Schroeder, en collaboration avec le chercheur postdoctoral Xiaolin Liu et l’étudiant diplômé Hao Yang, a été récemment publiée dans la revue Nature Chemistry.

Légende illustration : Représentation artistique d’une molécule d’échelle agissant comme un composant de l’électronique moléculaire. Crédit : The Grainger College of Engineering at the University of Illinois Urbana-Champaign

Article : ‘Shape-persistent ladder molecules exhibit nanogap-independent conductance in single-molecule junctions’ / ( 10.1038/s41557-024-01619-5 ) – University of Illinois Grainger College of Engineering – Publication dans la revue Nature