Les perspectives d'avenir pour de nouveaux dispositifs électroniques organiques supérieurs sont désormais plus prometteuses grâce à une nouvelle étude menée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du DOE. Travaillant à la Fonderie Moléculaire du Laboratoire, un centre de nanosciences du DOE, l'équipe a fourni la première détermination expérimentale des voies par lesquelles la charge électrique est transportée de molécule à molécule dans un film organique mince. Leurs résultats montrent également comment de tels films organiques peuvent être modifiés chimiquement pour améliorer la conductance.

"Nous avons montré que lorsque les molécules des couches minces organiques sont alignées dans des directions particulières, il y a une bien meilleure conductance, " dit Miquel Salmeron, une autorité de premier plan sur l'imagerie de surface à l'échelle nanométrique qui dirige la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et qui a dirigé cette étude. "Les chimistes savent déjà comment fabriquer des films minces organiques d'une manière qui peut atteindre un tel alignement, ce qui signifie qu'ils devraient être en mesure d'utiliser les informations fournies par notre méthodologie pour déterminer l'alignement moléculaire et son rôle sur le transport de charge à travers et le long des molécules. Cela contribuera à améliorer les performances des futurs appareils électroniques organiques."

Salmeron et Shaul Aloni, également de la Division des sciences des matériaux, sont les auteurs correspondants d'un article dans la revue Lettres nano qui décrit ce travail. L'article est intitulé "La microscopie électronique révèle la structure et la morphologie de films organiques minces à une molécule". Les autres co-auteurs étaient Virginia Altoe, Florent Martin et Allard Katan.

Electronique organique, également connu sous le nom d'électronique plastique ou polymère, sont des dispositifs qui utilisent des molécules à base de carbone comme conducteurs plutôt que des métaux ou des semi-conducteurs. Ils sont appréciés pour leur faible coût, poids léger et flexibilité caoutchouteuse. L'électronique organique devrait également jouer un rôle important dans l'informatique moléculaire, mais à ce jour, leur utilisation a été entravée par une faible conductance électrique par rapport aux métaux et aux semi-conducteurs.

« Les chimistes et les ingénieurs ont utilisé leur intuition et leurs essais et erreurs pour progresser dans le domaine, mais à un moment donné, vous vous heurtez à un mur à moins de comprendre ce qui se passe au niveau moléculaire, par exemple, comment les électrons ou les trous circulent à travers ou à travers les molécules, comment le transport de charges dépend de la structure des couches organiques et de l'orientation des molécules, et comment le transport de charge réagit aux forces mécaniques et aux apports chimiques, " dit Salmeron. " Avec nos résultats expérimentaux, nous avons montré que nous pouvons désormais apporter des réponses à ces questions."

Dans cette étude, Salmeron et ses collègues ont utilisé des motifs de diffraction électronique pour cartographier les structures cristallines de films moléculaires fabriqués à partir de monocouches de versions courtes de polymères couramment utilisés contenant de longues chaînes d'unités thiophène. Ils se sont concentrés spécifiquement sur l'acide pentathiophène butyrique (5TBA) et deux de ses dérivés (D5TBA et DH5TBA) qui ont été induits à s'auto-assembler sur divers substrats transparents aux électrons.

Les pentathiophènes - des molécules contenant un cycle de quatre atomes de carbone et un atome de soufre - font partie d'une famille bien étudiée et prometteuse de semi-conducteurs organiques.

L'obtention de cartes cristallographiques structurelles de films organiques monocouches à l'aide de faisceaux d'électrons a posé un défi majeur, comme l'explique Aloni.

"Ces molécules organiques sont extrêmement sensibles aux électrons de haute énergie, " dit-il. " Lorsque vous projetez un faisceau d'électrons de haute énergie à travers le film, cela affecte immédiatement les molécules. En quelques secondes, nous ne voyons plus l'alignement intermoléculaire de signature du motif de diffraction. Malgré cela, lorsqu'il est appliqué correctement, la microscopie électronique devient un outil essentiel qui peut fournir des informations uniques sur les échantillons organiques."

Salmeron, Aloni et leurs collègues ont relevé le défi grâce à la combinaison d'une stratégie unique qu'ils ont développée et d'un microscope électronique à transmission (MET) à l'installation d'imagerie et de manipulation de nanostructures de la fonderie moléculaire. Des motifs de diffraction d'électrons ont été collectés alors qu'un faisceau d'électrons parallèle était balayé sur le film, puis analysés par ordinateur pour générer des cartes cristallographiques structurelles.

"Ces cartes contiennent des informations sans compromis sur la taille, symétrie et orientation de la maille élémentaire, l'orientation et la structure des domaines, le degré de cristallinité, et toutes variations sur l'échelle micrométrique, " dit le premier auteur Altoe. " De telles données sont cruciales pour comprendre la structure et les propriétés de transport électrique des films organiques, et nous permettent de suivre les petits changements entraînés par les modifications chimiques des films de support."

Dans leur papier, les auteurs reconnaissent que pour obtenir des informations structurelles, ils ont dû sacrifier une certaine résolution.

"La résolution réalisable de la carte structurelle est un compromis entre la dureté de rayonnement de l'échantillon, sensibilité et bruit du détecteur, et le taux d'acquisition des données, " Salmeron says. "To keep the dose of high energy electrons at a level the monolayer film could support and still be able to collect valuable information about its structure, we had to spread the beam to a 90 nanometer diameter. However a fast and direct control of the beam position combined with the use of fast and ultrasensitive detectors should allow for the use of smaller beams with a higher electron flux, resulting in a better than 10 nanometer resolution."

While the combination of organic molecular films and substrates in this study conduct electrical current via electron holes (positively-charged energy spaces), Salmeron and his colleagues say their structural mapping can also be applied to materials whose conductance is electron-based.

"We expect our methodology to have widespread applications in materials research, " dit Salmeron.