Vue de dessus du modèle informatique 3D (à gauche) et de l'image de microscopie à force atomique (à droite) du nouveau film réalisé par des scientifiques de l'Université de Tokyo. La structure bien organisée des molécules est visible à la fois dans le modèle informatique 3D et dans l'image du microscope sous la forme d'un motif à chevrons ou en croix. Les différences de couleur dans l'image de microscopie sont le résultat des différentes longueurs des queues des molécules; les différences de longueur provoquent la frustration géométrique qui empêche les couches de s'empiler. pm =picomètres, nm =nanomètresCrédit :Shunto Arai et Tatsuo Hasegawa
Des chercheurs japonais ont mis au point une nouvelle méthode pour construire de vastes zones de matériau semi-conducteur d'une épaisseur de seulement deux molécules et d'une hauteur totale de 4,4 nanomètres. Les films fonctionnent comme des transistors à couche mince, et ont des applications futures potentielles dans l'électronique flexible ou les détecteurs chimiques. Ces transistors à couche mince sont le premier exemple de bicouches moléculaires simples semi-conductrices créées avec un traitement en solution liquide, un processus de fabrication standard qui minimise les coûts.
« Nous voulons donner aux appareils électroniques les caractéristiques de véritables membranes cellulaires :flexibles, fort, sensible, et ultra fin. Nous avons trouvé une nouvelle façon de concevoir des bicouches moléculaires simples semi-conductrices qui nous permet de fabriquer de grandes surfaces, jusqu'à 100 centimètres carrés (39 pouces carrés). Ils peuvent fonctionner comme des transistors à couches minces hautes performances et pourraient avoir de nombreuses applications à l'avenir, " a déclaré le professeur adjoint Shunto Arai, le premier auteur de la récente publication de recherche.
Le professeur Tatsuo Hasegawa du département de physique appliquée de l'Université de Tokyo a dirigé l'équipe qui a construit le nouveau film. La percée responsable de leur succès est un concept appelé frustration géométrique, qui utilise une forme moléculaire qui empêche les molécules de se déposer en plusieurs couches les unes sur les autres.
Le film est transparent, mais les forces d'attraction et de répulsion entre les molécules créent une organisation, motif à chevrons répété lorsque le film est vu d'en haut à travers un microscope. La structure moléculaire globale de la bicouche est très stable. Les chercheurs pensent qu'il devrait être possible de construire la même structure à partir de différentes molécules avec des fonctionnalités différentes.
Représentation d'artiste de molécules géométriquement frustrées. Les molécules sont alignées tête à tête (parties jaunes) avec leurs queues pointant dans des directions opposées (parties grises) de sorte que les molécules forment une ligne verticale. Les différentes longueurs de queue empêchent des couches supplémentaires de molécules de s'empiler sur le dessus. Les transistors à couches minces constitués de bicouches moléculaires uniques auront de meilleures performances de dispositif que les films d'épaisseur irrégulière ou supérieure. Crédit :Université de Tokyo
Les molécules individuelles utilisées dans le film actuel sont divisées en deux régions :une tête et une queue. La tête d'une molécule s'empile les unes sur les autres, avec leurs queues pointant dans des directions opposées afin que les molécules forment une ligne verticale. Ces deux molécules sont entourées de paires identiques de molécules en tête-à-tête, qui forment tous ensemble un sandwich appelé bicouche moléculaire.
Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient empêcher des bicouches supplémentaires de s'empiler en construisant la bicouche à partir de molécules avec des queues de longueurs différentes, les surfaces de la bicouche sont donc rugueuses et découragent naturellement l'empilement. Cet effet de longueurs différentes est appelé frustration géométrique.
Les méthodes standard de création de bicouches moléculaires semi-conductrices ne peuvent pas contrôler l'épaisseur sans provoquer de fissures ou une surface irrégulière. La frustration géométrique des queues de différentes longueurs a permis aux chercheurs d'éviter ces pièges et de construire un carré de 10 cm sur 10 cm (3,9 pouces sur 3,9 pouces) de leur film en utilisant la méthode industrielle courante de traitement de la solution.
Représentation d'artiste du processus de solution de revêtement de lame pour produire des transistors à couche mince à bicouche moléculaire unique. Les molécules liquides sont réparties par une lame sur la surface de production à température ambiante et à pression d'air standard dans une technique appelée traitement en solution. Au fur et à mesure que le liquide sèche, les forces intermoléculaires amènent les molécules à s'organiser automatiquement en bicouches simples géométriquement frustrées de seulement 4,4 nanomètres d'épaisseur. Crédit :Shunto Arai et Tatsuo Hasegawa
Les propriétés semi-conductrices de la bicouche peuvent donner aux films des applications en électronique flexible ou en détection chimique.
Les semi-conducteurs sont capables de basculer entre des états qui permettent à l'électricité de circuler (conducteurs) et des états qui empêchent l'électricité de circuler (isolants). Cette commutation marche-arrêt est ce qui permet aux transistors de changer rapidement les images affichées, comme une image sur un écran LCD. La bicouche moléculaire unique créée par l'équipe UTokyo est beaucoup plus rapide que les transistors à couche mince de silicium amorphe, un type courant de semi-conducteur actuellement utilisé en électronique.
