Des scientifiques ont récemment développé un nano-commutateur contrôlé par la lumière pour jeter les bases du développement de dispositifs atomiques en nanotechnologie. Ils ont conçu les commutateurs à l'échelle nanométrique dans une première étape vers la miniaturisation entièrement intégrée des appareils électroniques. La recherche multidisciplinaire a été menée par Weiqiang Zhang et ses collègues, et une équipe internationale de collaborateurs. Les résultats de l'étude sont maintenant publiés dans Lumière :science et applications .

Dans la méthode développée par Zhang et al. la lumière peut être utilisée pour contrôler la conductance électrique à la jonction entre les nano-électrodes d'or en chauffant des électrons à la surface de l'électrode, dans une technique connue sous le nom de « chauffage plasmonique ». Ils ont validé les mécanismes expérimentaux à l'aide de simulations. L'équipe de recherche a étendu les électrodes par chauffage plasmonique pour combler l'écart et allumer l'interrupteur, ouvrant la voie à la construction de transistors à molécule unique et de biocapteurs à base de nanopores à l'échelle nanométrique.

Les jonctions moléculaires ont déjà été étudiées comme une approche pour construire des nanocommutateurs en utilisant des molécules photochromiques (sensibles à la lumière) qui ont basculé entre deux isoformes distinctes. Le présent travail de Zhang et al. comportement de commutation de conductance démontré de manière contrastée uniquement avec un contact métallique nu, sous un éclairage lumineux, sans aucune molécule. Ils ont démontré la conductance des contacts quantiques métalliques nus en tant que commutateurs réversibles sur huit ordres de grandeur pour dépasser considérablement les performances des commutateurs moléculaires précédents. Les scientifiques ont pu ajuster la taille de l'écart entre les deux électrodes après le processus de commutation avec une précision inférieure à l'angström, en contrôlant l'intensité lumineuse ou la polarisation.

L'ingénierie de dispositifs électroniques utilisant des blocs de construction fonctionnels à l'échelle atomique est une force motrice majeure de la nanotechnologie pour former des éléments clés dans les circuits électroniques, qui étaient auparavant miniaturisés à l'aide de tunnels mécaniques, fonctionnement tension/courant de polarisation et électrochimie. Les études précédentes ne l'ont pas fait, cependant, aborder le concept de commutateurs atomiques contrôlés par chauffage plasmonique. Les plasmons de surface sont des oscillations électroniques délocalisées cohérentes à l'interface entre deux matériaux qui forment des nanostructures métalliques, qui peuvent être concentrés dans les espaces de sous-longueur d'onde entre les matériaux. En principe, lorsque la fréquence de résonance des plasmons de surface correspond à la fréquence de la lumière incidente, la résonance plasmonique est excitée pour produire une forte absorption lumineuse et un chauffage plasmonique substantiel.

Dans la présente étude, Zhang et al. utilisé ce principe pour montrer comment un métal, Le contact à l'échelle atomique pourrait être utilisé de manière fiable comme un interrupteur de conductance grâce à un éclairage contrôlé de la lumière. Pour concevoir le contact métallique à l'échelle atomique, ils ont étiré avec précision un nanofil métallique à l'aide de la jonction à rupture contrôlable mécaniquement. Lorsqu'ils ont réduit la section du fil métallique à quelques nanomètres ou à quelques atomes, le diamètre est devenu comparable à la longueur d'onde de Fermi des électrons, permettant aux effets de la mécanique quantique d'influencer fortement les propriétés du transport des électrons. En utilisant ces principes, Zhang et al. a montré comment la conductance d'un contact en or atomique pouvait passer de quelques quanta de conductance à des centaines de quanta, et vice versa avec un éclairage lumineux. Les scientifiques ont pu basculer de manière réversible les contacts quantiques métalliques entre l'état ouvert et fermé en contrôlant l'intensité lumineuse. Ils ont créé un nanogap entre les contacts quantiques au sein duquel un effet tunnel cohérent régissait le transport des électrons.

Alors que la génération d'un nanogap était cruciale pour fabriquer des dispositifs à base de molécule unique, l'ingénierie d'un espace réglable à l'échelle atomique est restée un défi important. Bien que les tailles d'espace fixes n'aient pas pu être ajustées après la fabrication, la taille de l'espace peut être ajustée facilement et en continu par chauffage plasmonique à une résolution inférieure à l'angström, comme l'ont montré Zhang et l'équipe de recherche.

Pour ça, ils ont utilisé une lampe à diode électroluminescente (DEL) commerciale comme source lumineuse dans les expériences avec un adaptateur secteur pour contrôler en continu l'intensité de la lumière. La configuration expérimentale ne nécessitait pas de matériel optique spécial ni de sources laser de haute puissance. Ils ont utilisé un fil d'or disponible dans le commerce avec une constriction au milieu sur un substrat en acier à ressort pour construire les nanocontacts. Puis à l'aide d'une « jonction à coupure à commande mécanique » (MCBJ), les scientifiques ont étiré la constriction en pliant le substrat, et l'ont observé avec des images de microscopie électronique à balayage (MEB). Après, les scientifiques ont réduit la section transversale de la constriction pour former deux électrodes séparées. Quand ils ont allumé la lumière, la conductance augmentait et diminuait lorsque la lumière était éteinte; la grande conductance résultant de l'éclairement lumineux reconnecta fortement les deux électrodes séparées.

Les scientifiques ont analysé le phénomène au niveau de l'arrangement atomique, lors d'un éclairage lumineux. Ils ont montré que les nanogaps avaient une forte absorption de la lumière dans les régions visible et proche infrarouge en raison de résonances plasmoniques de surface localisées (LSPR). Lorsque la fréquence de la lumière LED correspond à la fréquence d'oscillation des électrons libres et du champ électromagnétique à la pointe des électrodes, le LSPR autour de l'écart était excité. La lumière absorbée s'est ensuite convertie en énergie thermique provoquant l'expansion des nanoélectrodes et leur reconnexion. La conductance atteint sa valeur maximale lorsque le système est à l'équilibre thermique. Quand la lumière s'est éteinte, les électrons se séparèrent une fois de plus.

Pour comprendre comment la conductance dépend de l'intensité lumineuse, les scientifiques ont réalisé des expériences où l'intensité lumineuse maximale dans chaque cercle illuminé augmentait progressivement. Zhang et al. ont montré que la conductance maximale dans chaque cercle augmentait approximativement linéairement avec l'intensité de la lumière. Ils ont obtenu des données reproductibles du courant en fonction de l'intensité lumineuse et ont montré comment la conductance du contact quantique, peut être régulé par l'intensité de la lumière.

Zhang et al. a également observé comment la taille du nanogap pouvait être modulée avec précision par la lumière en montrant que la conductance pouvait être modifiée dans la région tunnel, entre l'entrefer des deux électrodes, en contrôlant la lumière LED. Lorsque l'intensité lumineuse a été fixée, ils pourraient maintenir le courant tunnel constant plus longtemps. Les scientifiques ont estimé la distance entre les deux électrodes en utilisant l'équation de Simmons; utilisé pour décrire la relation entre le courant tunnel et la taille de l'espace tunnel. Ils pourraient ainsi contrôler avec précision la distance entre les deux électrodes séparées avec une précision inférieure à l'angström en utilisant l'intensité lumineuse.

Pour confirmer que l'origine du comportement de commutation était le chauffage induit par le plasmon dans les systèmes plasmoniques à l'échelle nanométrique, les scientifiques ont étudié le spectre de diffusion des échantillons de MCBJ pour révéler la fréquence de résonance plasmonique. Les résultats ont indiqué que le changement de conductance était lié à l'expansion des électrodes due au chauffage plasmonique. Zhang et al. a également effectué des simulations par la méthode des éléments finis pour estimer l'expansion des électrodes et résolu la distribution du champ électrique, répartition de la température et dilatation thermique sur éclairage lumineux, en utilisant le progiciel COMSOL Multiphysics. La simulation a calculé le déplacement maximal des électrodes à environ 0,4 nm. Zhang et al. ont pu optimiser davantage la fréquence de commutation en optimisant les dimensions caractéristiques pour le transfert de chaleur. De cette façon, les scientifiques ont prouvé expérimentalement que les commutateurs atomiques pouvaient être actionnés rapidement par chauffage plasmonique.

Le travail a démontré la géométrie atomique des contacts quantiques métalliques qui pourraient être modulés avec la lumière et la capacité d'inverser l'interrupteur (marche/arrêt, vice versa) leur conductance par chauffage plasmonique. Alors que la séparation atome par atome des électrodes a été clairement observée, ils pourraient également ajuster la taille de l'écart, entre les électrodes à une résolution inférieure à l'angström en contrôlant l'intensité de la lumière. Zhang et al. ont montré que le plasmon peut potentiellement dépasser la limite de diffraction de la lumière pour réaliser la nanofocalisation, transférer le commutateur atomique contrôlé par plasmon pour réaliser des nanodispositifs hautement intégrés ; ouvrant une nouvelle voie pour concevoir des dispositifs nanoélectroniques.

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