Récemment, au Biodesign Institute de l'Arizona State University, N.J. Tao et ses collaborateurs ont trouvé un moyen de fabriquer un composant électrique clé à une échelle incroyablement petite. Leur diode à molécule unique est décrite dans l'édition en ligne de cette semaine de Chimie de la nature .

Dans le monde de l'électronique, les diodes sont un composant polyvalent et omniprésent. Apparaissant dans de nombreuses formes et tailles, ils sont utilisés dans une gamme infinie de dispositifs et sont des ingrédients essentiels pour l'industrie des semi-conducteurs. Rendre les composants, y compris les diodes plus petits, moins cher, plus rapide et plus efficace a été le Saint Graal d'un domaine de l'électronique en pleine explosion, en train de sonder le domaine nanométrique.

Une taille plus petite signifie un coût moins élevé et de meilleures performances pour les appareils électroniques. Le processeur informatique de première génération utilisait quelques milliers de transistors, Tao dit en notant l'avancée abrupte de la technologie du silicium. "Maintenant même simple, les ordinateurs bon marché utilisent des millions de transistors sur une seule puce."

Mais dernièrement, la tâche de miniaturisation est devenue beaucoup plus difficile, et le célèbre dicton connu sous le nom de loi de Moore - qui stipule que le nombre de transistors à base de silicium sur une puce double tous les 18 à 24 mois - finira par atteindre ses limites physiques. "La taille des transistors atteint quelques dizaines de nanomètres, seulement environ 20 fois plus gros qu'une molécule, " dit Tao. " C'est l'une des raisons pour lesquelles les gens sont enthousiasmés par cette idée de l'électronique moléculaire. "

Les diodes sont des composants essentiels pour un large éventail d'applications, à partir d'équipements de conversion de puissance, aux radios, des portes logiques, photodétecteurs et dispositifs électroluminescents. Dans chaque cas, les diodes sont des composants qui permettent au courant de circuler dans un sens autour d'un circuit électrique mais pas dans l'autre. Pour qu'une molécule réalise cet exploit, Tao explique, il doit être physiquement asymétrique, avec une extrémité capable de former une liaison covalente avec l'anode chargée négativement et l'autre avec la borne cathodique positive.

La nouvelle étude compare une molécule symétrique avec une asymétrique, détaillant les performances de chacun en termes de transport d'électrons. "Si vous avez une molécule symétrique, le courant va dans les deux sens, un peu comme une résistance ordinaire, " observe Tao. C'est potentiellement utile, mais la diode est un composant plus important (et difficile) à reproduire (voir figure).

L'idée de dépasser les limites du silicium avec un composant électronique à base de molécules existe depuis longtemps. "Les chimistes théoriciens Mark Ratner et Ari Aviram ont proposé l'utilisation de molécules pour l'électronique comme les diodes en 1974, " Tao dit, ajoutant que "les gens du monde entier essaient d'accomplir cela depuis plus de 30 ans".

La plupart des efforts à ce jour ont impliqué de nombreuses molécules, Tao note, se référant aux couches minces moléculaires. Ce n'est que très récemment que des tentatives sérieuses ont été faites pour surmonter les obstacles à la conception de molécules uniques. L'un des défis consiste à relier une seule molécule à au moins deux électrodes qui lui fournissent du courant. Un autre défi concerne la bonne orientation de la molécule dans le dispositif. « Nous sommes maintenant capables de le faire :construire un dispositif à molécule unique avec une orientation bien définie, " dit Tao.

La technique développée par le groupe de Tao repose sur une propriété connue sous le nom de modulation AC. "Essentiellement, nous appliquons à la molécule une petite perturbation mécanique variant périodiquement. S'il y a une molécule pontée entre deux électrodes, il répond d'une manière. S'il n'y a pas de molécule, nous pouvons le dire."

Le projet interdisciplinaire impliquait le professeur Luping Yu, à l'Université de Chicago, qui a fourni les molécules à étudier, ainsi que collaborateur théorique, Professeur Ivan Oleynik de l'Université de Floride du Sud. L'équipe a utilisé des molécules conjuguées, dans lequel les atomes sont collés ensemble avec une alternance de liaisons simples et multiples. De telles molécules présentent une grande conductivité électrique et ont des extrémités asymétriques capables de former spontanément des liaisons covalentes avec des électrodes métalliques pour créer un circuit fermé.

Les résultats du projet ouvrent la perspective de construire des diodes à molécule unique - les plus petits dispositifs que l'on puisse jamais construire. "Je pense que c'est excitant parce que nous sommes capables de regarder une seule molécule et de jouer avec elle, " dit Tao. " On peut appliquer une tension, une force mécanique, ou champ optique, mesurer le courant et voir la réponse. Comme la physique quantique contrôle le comportement de molécules individuelles, cette capacité nous permet d'étudier des propriétés distinctes de celles des appareils conventionnels."

Chimistes, physiciens, chercheurs en matériaux, les experts en informatique et les ingénieurs jouent tous un rôle central dans le domaine émergent de la nanoélectronique, où un zoo de molécules disponibles avec différentes fonctions fournit la matière première de l'innovation. Tao étudie également les propriétés mécaniques des molécules, par exemple, leur capacité à osciller. Les propriétés de liaison entre les molécules en font des candidats intéressants pour une nouvelle génération de capteurs chimiques. "Personnellement, Je m'intéresse à l'électronique moléculaire non pas à cause de leur potentiel à dupliquer les applications silicium d'aujourd'hui, " dit Tao. Au lieu de cela, l'électronique moléculaire bénéficiera d'une électronique unique, mécanique, propriétés de liaison optique et moléculaire qui les distinguent des semi-conducteurs conventionnels. Cela peut conduire à des applications complétant plutôt que remplaçant les dispositifs au silicium.

Source :Arizona State University (actualité :web)