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  • Charges en cascade le long d'une chaîne moléculaire

    Image STEM (microscopie électronique à transmission à balayage) d'un réseau unidimensionnel de molécules F4TCNQ (jaune-orange) sur un dispositif de graphène accordable par grille. Crédit :Berkeley Lab

    De petits circuits électroniques alimentent notre quotidien, des minuscules caméras de nos téléphones aux microprocesseurs de nos ordinateurs. Pour rendre ces appareils encore plus petits, les scientifiques et les ingénieurs conçoivent des composants de circuits à partir de molécules uniques. Les circuits miniaturisés peuvent non seulement offrir les avantages d'une densité de dispositifs accrue, la vitesse, et l'efficacité énergétique, par exemple dans l'électronique flexible ou dans le stockage de données, mais l'exploitation des propriétés physiques de molécules spécifiques pourrait conduire à des dispositifs dotés de fonctionnalités uniques. Cependant, développer des dispositifs nanoélectroniques pratiques à partir de molécules uniques nécessite un contrôle précis du comportement électronique de ces molécules, et une méthode fiable pour les fabriquer.

    Maintenant, comme indiqué dans le journal Nature Électronique , les chercheurs ont développé une méthode pour fabriquer un réseau unidimensionnel de molécules individuelles et pour contrôler avec précision sa structure électronique. En réglant soigneusement la tension appliquée à une chaîne de molécules noyées dans une couche de carbone (graphène) unidimensionnelle, l'équipe dirigée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a découvert qu'ils pouvaient contrôler si tous, rien, ou certaines des molécules portent une charge électrique. Le modèle de charge résultant pourrait alors être déplacé le long de la chaîne en manipulant des molécules individuelles à la fin de la chaîne.

    "Si vous allez construire des appareils électriques à partir de molécules individuelles, vous avez besoin de molécules qui ont des fonctionnalités utiles et vous devez comprendre comment les organiser selon un modèle utile. Nous avons fait ces deux choses dans ce travail, " a déclaré Michael Crommie, chercheur principal au sein de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, qui a mené le projet. La recherche fait partie d'un programme financé par le ministère de l'Énergie des États-Unis (DOE) Office of Science sur la caractérisation des nanomachines fonctionnelles, dont l'objectif global est de comprendre les propriétés électriques et mécaniques des nanostructures moléculaires, et créer de nouvelles nanomachines à base de molécules capables de convertir l'énergie d'une forme à une autre à l'échelle nanométrique.

    La caractéristique clé de la molécule riche en fluor sélectionnée par l'équipe du Berkeley Lab est sa forte tendance à accepter les électrons. Pour contrôler les propriétés électroniques d'une chaîne alignée avec précision de 15 de ces molécules déposées sur un substrat de graphène, Crommie, qui est également professeur de physique à l'UC Berkeley, et ses collègues ont placé une électrode métallique sous le graphène qui en était également séparé par une fine couche isolante. L'application d'une tension entre les molécules et l'électrode fait entrer ou sortir des électrons des molécules. De cette façon, les molécules supportées par le graphène se comportent un peu comme un condensateur, un composant électrique utilisé dans un circuit pour stocker et libérer la charge. Mais, contrairement à un condensateur macroscopique "normal", en réglant la tension sur l'électrode inférieure, les chercheurs pouvaient contrôler quelles molécules se chargeaient et lesquelles restaient neutres.

    Dans des études antérieures sur les assemblages moléculaires, les propriétés électroniques des molécules n'ont pas pu être à la fois ajustées et imagées à des échelles de longueur atomique. Sans la capacité d'imagerie supplémentaire, la relation entre la structure et la fonction ne peut pas être entièrement comprise dans le contexte des appareils électriques. En plaçant les molécules dans un modèle spécialement conçu sur le substrat de graphène développé à l'installation d'utilisateurs scientifiques à l'échelle nanométrique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, Crommie et ses collègues ont veillé à ce que les molécules soient complètement accessibles à la fois à l'observation au microscope et à la manipulation électrique.

    Comme prévu, appliquer une forte tension positive à l'électrode métallique sous le graphène supportant les molécules les a remplies d'électrons, laissant l'ensemble du réseau moléculaire dans un état chargé négativement. En supprimant ou en inversant cette tension, tous les électrons ajoutés ont quitté les molécules, ramener l'ensemble du réseau à un état de charge neutre. A une tension intermédiaire, cependant, les électrons ne remplissent que toutes les autres molécules du réseau, créant ainsi un motif de charge en « échiquier ». Crommie et son équipe expliquent ce nouveau comportement par le fait que les électrons se repoussent. Si deux molécules chargées occupaient momentanément des sites adjacents, alors leur répulsion repousserait l'un des électrons et le forcerait à se fixer un site plus loin dans la rangée moléculaire.

    "Nous pouvons rendre toutes les molécules vides de charge, ou tout plein, ou en alternance. Nous appelons cela un modèle de charge collective car il est déterminé par la répulsion électron-électron dans toute la structure, " dit Crommie.

    Les calculs suggèrent que dans un réseau de molécules avec des charges alternées, la molécule terminale du réseau devrait toujours contenir un électron supplémentaire car cette molécule n'a pas de deuxième voisin pour provoquer une répulsion. Afin d'étudier expérimentalement ce type de comportement, l'équipe du Berkeley Lab a retiré la dernière molécule d'un ensemble de molécules qui avaient des charges alternées. Ils ont découvert que le modèle de charge d'origine s'était déplacé d'une molécule :les sites qui avaient été chargés devenaient neutres et vice versa. Les chercheurs ont conclu qu'avant que la molécule terminale chargée ne soit retirée, la molécule adjacente devait être neutre. Dans sa nouvelle position à la fin du tableau, l'ancienne deuxième molécule s'est alors chargée. Pour maintenir l'alternance entre les molécules chargées et non chargées, l'ensemble du modèle de charge a dû se déplacer d'une molécule.

    Si la charge de chaque molécule est considérée comme une information, puis le retrait de la molécule finale provoque le déplacement de l'ensemble du schéma d'information d'une position. Ce comportement imite un registre à décalage électronique dans un circuit numérique et offre de nouvelles possibilités de transmission d'informations d'une région d'un dispositif moléculaire à une autre. Déplacer une molécule à une extrémité de la matrice pourrait servir à allumer ou éteindre un interrupteur ailleurs dans l'appareil, fournissant des fonctionnalités utiles pour un futur circuit logique.

    "Une chose que nous avons trouvée vraiment intéressante à propos de ce résultat est que nous avons pu modifier la charge électronique et donc les propriétés des molécules de très loin. Ce niveau de contrôle est quelque chose de nouveau, " dit Crommie.

    Avec leur réseau moléculaire, les chercheurs ont atteint l'objectif de créer une structure dotée de fonctionnalités très spécifiques; C'est, une structure dont les charges moléculaires peuvent être finement ajustées entre différents états possibles en appliquant une tension. Changer la charge des molécules provoque un changement de leur comportement électronique et, par conséquent, dans la fonctionnalité de l'ensemble de l'appareil. Ce travail est issu d'un effort du DOE pour construire des nanostructures moléculaires précises qui ont une fonctionnalité électromécanique bien définie.

    La technique de l'équipe du Berkeley Lab pour contrôler les modèles de charge moléculaire pourrait conduire à de nouvelles conceptions de composants électroniques à l'échelle nanométrique, notamment des transistors et des portes logiques. La technique pourrait également être généralisée à d'autres matériaux et incorporée dans des réseaux moléculaires plus complexes. Une possibilité consiste à ajuster les molécules pour créer des motifs de charge plus complexes. Par exemple, remplacer un atome par un autre dans une molécule peut changer les propriétés de la molécule. Placer de telles molécules modifiées dans le réseau pourrait créer de nouvelles fonctionnalités. Sur la base de ces résultats, les chercheurs prévoient d'explorer la fonctionnalité résultant de nouvelles variations au sein des puces moléculaires, ainsi que la façon dont ils peuvent potentiellement être utilisés comme composants de circuits minuscules. Finalement, ils prévoient d'incorporer ces structures dans des dispositifs nanométriques plus pratiques.


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