Les chercheurs démontrent une conductance électrique élevée pour un complexe de nickel antiaromatique, un ordre de grandeur supérieur à celui d'un complexe aromatique similaire. Étant donné que la conductance est également accordable par déclenchement électrochimique, les complexes antiaromatiques sont des matériaux prometteurs pour les futurs appareils électroniques.

Les matériaux organiques ont souvent un coût de production inférieur à celui des conducteurs électriques traditionnels comme les métaux et les semi-conducteurs. Tous les systèmes organiques ne conduisent pas bien l'électricité, toutefois. Une classe de matériaux organiques connus sous le nom de composés antiaromatiques - comportant des anneaux plans d'atomes de carbone partageant un nombre d'électrons multiple de quatre - a été prédit comme d'excellents conducteurs, mais cette prédiction a été difficile à vérifier car les molécules antiaromatiques sont généralement instables. Maintenant, Shintaro Fujii et Manabu Kiguchi de l'Institut de technologie de Tokyo et leurs collègues ont effectué une étude systématique du transport de charge dans un seul, molécule antiaromatique stable. Par rapport à une molécule aromatique structurellement apparentée (où les anneaux de carbone partagent deux électrons supplémentaires), sa conductance électrique record est d'un ordre de grandeur plus élevé.

Les chercheurs ont étudié un complexe de nickel particulier à base de norcorrole, Ni(ni), qui est antiaromatique mais stable, et un aromatique de structure similaire, complexe de nickel à base de porphyrine, Ni(porphe). Ils ont mesuré les conductivités des deux composés au moyen de la technique de rupture de jonction par microscopie à effet tunnel; dans une telle configuration, le courant traversant une seule molécule prise en sandwich entre deux parties d'une jonction rompue est mesuré en fonction de la tension appliquée. Avec une conductance de plus de 4 ^10–4 quanta de conductance, Ni(nor) est le complexe organométallique connu le plus conducteur. Ni(porph) a une valeur environ 25 fois inférieure, un résultat confirmant la conductivité supérieure des molécules antiaromatiques. Via des calculs théoriques de la structure électronique et de la propriété de transport de charges des molécules, les scientifiques ont pu identifier l'origine de la conductance antiaromaticité renforcée :pour Ni(nor), l'orbitale moléculaire inoccupée la plus basse se situe plus près du niveau de Fermi (la quantité de travail nécessaire pour ajouter un électron au système) que pour Ni(porph).

Fujii et ses collègues ont également réussi à démontrer l'accordabilité de la conductance à molécule unique de Ni(nor). En appliquant une technique connue sous le nom de gating électrochimique, qui permet de contrôler les niveaux d'énergie moléculaire par rapport au niveau de Fermi des électrodes de source et de drain (de la jonction monomoléculaire) en faisant varier un potentiel électrochimique appliqué, les chercheurs ont démontré une modulation de 5 fois de la conductance de Ni(nor).

Les découvertes de Fujii et de ses collègues montrent que les matériaux antiaromatiques sont des systèmes prometteurs à faible coût présentant une conductance électrique élevée. Selon les mots des chercheurs, leur étude "fournit des lignes directrices pertinentes pour la conception de matériaux moléculaires pour l'électronique à molécule unique hautement conductrice.

Fond

Aromaticité et antiaromaticité

Les molécules organiques sont dites aromatiques lorsqu'elles présentent un anneau plan d'atomes de carbone avec des liaisons de résonance - un type de liaison intermédiaire entre une simple et une double liaison, résultant en une stabilité chimique élevée (c'est-à-dire, faible réactivité). L'archétype de la molécule aromatique est le benzène, C 6 H 6 , comportant un cycle aromatique hexagonal d'atomes de carbone. Le nombre d'électrons (appelés électrons ) partagés par l'anneau est toujours un multiple de quatre plus deux (pour le benzène, par exemple, il est six heures), une propriété connue sous le nom de règle de Hückel.

L'antiaromaticité est une propriété similaire :un anneau de carbone planaire, mais avec un nombre d'électrons multiple de quatre (pour le cyclobutadiène, par exemple, c'est quatre). Une telle situation entraîne une instabilité chimique.

Fujii et ses collègues ont travaillé avec une écurie, Complexe à base de nickel avec une partie antiaromatique. Par rapport à un complexe similaire avec une partie aromatique, sa conductance est d'un ordre de grandeur plus grande, confirmant la prédiction antérieure selon laquelle les molécules antiaromatiques sont d'excellents conducteurs électriques.

Conductance

La capacité d'un matériau à conduire l'électricité est exprimée par une quantité appelée conductance électrique, G. C'est l'inverse de la résistance électrique, R =1/G. La conductance est définie comme le rapport du courant I qui traverse le matériau (ou, Dans le travail present, une seule molécule) et la tension V à ses bornes. L'unité de conductance est le siemens, S, mais les valeurs de conductance sont souvent données par rapport au quantum de conductance, G0 ≈ 7,7 x 10 ^–5 S.

Fujii et ses collègues ont obtenu des valeurs de conductance pour des complexes à base de nickel antiaromatiques et aromatiques en mesurant leurs caractéristiques courant-tension (I-V) dans une configuration de microscopie à balayage à tunnel (STM).