Lorsque les appareils électriques sont réduits à l'échelle moléculaire, les propriétés électriques et mécaniques d'une molécule donnée deviennent critiques. Des propriétés spécifiques peuvent être exploitées, selon les besoins de l'application. Ici, une seule molécule est attachée à chaque extrémité à une paire d'électrodes en or, former un circuit électrique, dont le courant peut être mesuré.
(PhysOrg.com) - Dans la recherche apparaissant dans le numéro d'aujourd'hui de la revue Nature Nanotechnologie , Nongjian "NJ" Tao, chercheur au Biodesign Institute de l'Arizona State University, a démontré un moyen astucieux de contrôler la conductance électrique d'une seule molécule, en exploitant les propriétés mécaniques de la molécule.
Un tel contrôle peut éventuellement jouer un rôle dans la conception de gadgets électriques ultra-minus, créé pour effectuer une myriade de tâches utiles, de la détection biologique et chimique à l'amélioration des télécommunications et de la mémoire informatique.
Tao dirige une équipe de recherche habituée à relever les défis liés à la création d'appareils électriques de cette taille, où les effets bizarres du monde quantique dominent souvent le comportement des appareils. Comme l'explique Tao, l'un de ces problèmes est de définir et de contrôler la conductance électrique d'une seule molécule, attaché à une paire d'électrodes en or.
« Certaines molécules ont des propriétés électromécaniques inhabituelles, qui sont différents des matériaux à base de silicium. Une molécule peut également reconnaître d'autres molécules via des interactions spécifiques. » Ces propriétés uniques peuvent offrir une flexibilité fonctionnelle énorme aux concepteurs de dispositifs à l'échelle nanométrique.
Dans la recherche actuelle, Tao examine les propriétés électromécaniques de molécules individuelles prises en sandwich entre des électrodes conductrices. Lorsqu'une tension est appliquée, un flux de courant résultant peut être mesuré. Un type particulier de molécule, connu sous le nom de pentaphénylène, a été utilisé et sa conductance électrique examinée.
Le groupe de Tao a pu faire varier la conductance jusqu'à un ordre de grandeur, simplement en changeant l'orientation de la molécule par rapport aux surfaces des électrodes. Spécifiquement, l'angle d'inclinaison de la molécule a été modifié, la conductance augmentant à mesure que la distance séparant les électrodes diminue, et atteignant un maximum lorsque la molécule était en équilibre entre les électrodes à 90 degrés.
La raison de la fluctuation dramatique de la conductance a à voir avec les orbitales dites pi des électrons constituant les molécules, et leur interaction avec les orbitales électroniques dans les électrodes attachées. Comme le note Tao, les orbitales pi peuvent être considérées comme des nuages d'électrons, dépassant perpendiculairement de part et d'autre du plan de la molécule. Lorsque l'angle d'inclinaison d'une molécule piégée entre deux électrodes est modifié, ces orbitales pi peuvent entrer en contact et se mélanger avec les orbitales électroniques contenues dans l'électrode d'or, un processus connu sous le nom de couplage latéral. Ce couplage latéral des orbitales a pour effet d'augmenter la conductance.
Les atomes d'une molécule (en gris) sont affichés, avec leurs orbitales pi d'accompagnement (rouge). Au fur et à mesure que la distance entre les électrodes diminue, les orbitales pi peuvent interagir avec les orbitales électroniques contenues dans les électrodes d'or, un processus connu sous le nom de couplage latéral. Cet effet augmente la conductance électrique à travers la molécule.
Dans le cas de la molécule de pentaphénylène, l'effet de couplage latéral était prononcé, avec des niveaux de conductance augmentant jusqu'à 10 fois à mesure que le couplage latéral des orbitales est devenu plus important. En revanche, la molécule de tétraphényle utilisée comme témoin pour les expériences n'a pas présenté de couplage latéral et les valeurs de conductance sont restées constantes, quel que soit l'angle d'inclinaison appliqué à la molécule. Tao dit que les molécules peuvent maintenant être conçues pour exploiter ou minimiser les effets de couplage latéral des orbitales, permettant ainsi le réglage fin des propriétés de conductance, en fonction des exigences spécifiques d'une application.
Un autre autocontrôle des résultats de conductance a été effectué à l'aide d'une méthode de modulation. Ici, la position de la molécule a été secouée dans 3 directions spatiales et les valeurs de conductance observées. Ce n'est que lorsque ces perturbations rapides ont spécifiquement modifié l'angle d'inclinaison de la molécule par rapport à l'électrode que les valeurs de conductance ont été modifiées, indiquant que le couplage latéral des orbitales électroniques était en effet responsable de l'effet. Tao suggère également que cette technique de modulation peut être largement appliquée comme nouvelle méthode pour évaluer les changements de conductance dans les systèmes à l'échelle moléculaire.
