(Phys.org)—L'électronique du futur pourrait utiliser des molécules pour faire leur calcul. Les minuscules particules pourraient alors prendre en charge les tâches qui sont actuellement effectuées par les transistors au silicium, par exemple. Des chercheurs de l'institut Fritz Haber de la société Max Planck à Berlin ont utilisé un nanofil qui pourrait potentiellement conduire le courant entre des transistors moléculaires ou différents composants. La minuscule piste conductrice est constituée d'une bande étroite de graphène, c'est une bande d'une seule couche de carbone. Leur prochaine étape consistait à utiliser un microscope à effet tunnel pour effectuer des mesures complexes afin de déterminer comment la conductance de la bande de carbone dépend de sa longueur et de l'énergie des électrons. Ils en ont ainsi appris davantage sur la façon dont la charge sous forme d'électrons est transportée à travers le nanofil et comment les pistes conductrices peuvent être améliorées pour des applications potentielles en nanoélectronique.

Un fil peut difficilement être plus fin. Mais les dimensions record des fils de graphène offrent non seulement de nouvelles opportunités, ils confrontent également les physiciens à des défis. Leonhard Grill et ses collègues de l'Institut Fritz Haber de Berlin de la Société Max Planck ont ​​maintenant relevé ces défis. Ils ont commencé par produire un ruban de graphène étroit, sa conception basée sur leur propre travail et celui des autres. Premièrement, ils ont vaporisé des extraits moléculaires de bandes de graphène sur une surface. Les molécules étaient dotées de liaisons chimiques de sorte qu'elles se sont initialement combinées en une longue chaîne et ont finalement formé un plat, ruban rigide.

Un toucher délicat est nécessaire pour mesurer la conductance des nanofils

Puis les chercheurs du groupe de Leonhard Grill ont lancé leur véritable projet :ils ont mesuré la conductance d'un nanofil individuel en fonction de sa longueur. "Cela nous permet de découvrir comment fonctionne le transport de charge dans le nanofil de graphène, " explique Leonhard Grill. Cette approche permet avant tout aux chercheurs de savoir si leur nanofil est un conducteur parfait dont la conductance ne varie pas avec la longueur, comme ce serait le cas avec un nanofil métallique. Les chercheurs ont obtenu leurs résultats dans une expérience délicate :ils ont déterminé le flux de courant à travers un ruban de graphène individuel, qui reliait la pointe d'un microscope à effet tunnel à une surface en or, à différentes tensions, c'est-à-dire les énergies des électrons, et à différentes distances.

Cela signifiait qu'ils devaient initialement soulever le nanofil de la surface. C'est comme soulever un morceau de papier avec un doigt mouillé, sauf que soulever le nanofil nécessite un toucher infiniment plus délicat. "Le fil retombe facilement, en particulier à des tensions plus élevées entre la pointe et la surface d'or, " explique Matthias Koch, qui a mené les expériences dans le cadre de son travail de doctorat. "Bien que nous ayons maintenant quelques astuces pour tenir les rubans de graphène avec la pointe, nous avons encore besoin de nombreuses tentatives."

Le bord de la bande de graphène affecte le transport de charge

Les mesures ont montré que le courant à travers le fil de graphène ne passait pas avec une résistance relativement faible comme il le fait à travers un fil de cuivre. Au contraire, les électrons traversaient le fil au moyen d'un processus de mécanique quantique :ils le traversaient en tunnel. Seules les particules quantiques peuvent creuser un tunnel, et ils le font toujours lorsqu'une barrière qu'ils n'ont pu surmonter selon les lois de la physique classique offre une résistance. Les particules ne franchissent néanmoins la barrière qu'en raison de leurs propriétés quantiques. Plus la distance que les électrons doivent parcourir est grande, les moins nombreux arrivent de l'autre côté. « La conductance dans un nanofil dépend donc fortement de sa longueur, " dit Matthias Koch. De plus, significativement moins de courant circule globalement dans le processus de tunnel que dans le transport de charge dans un conducteur conventionnel.

Les scientifiques ont également montré pour la première fois comment le transport de charge dépend de l'énergie des électrons. S'ils sélectionnent l'énergie des électrons pour qu'elle corresponde à l'énergie des orbitales moléculaires, le transport de charge s'améliore immédiatement. Les orbitales sont les espaces dans les atomes et les molécules que les électrons, chacun ayant une énergie précisément définie, occuper. "Les orbitales moléculaires servent de canaux qui s'étendent sur toute la molécule et permettent un transport de charge efficace, " dit Leonhard Grill. " Si nous sommes en dehors de ces canaux, énergétiquement parlant, alors le transport de charge est considérablement restreint." Ce comportement est suspecté depuis un certain temps, mais les chercheurs berlinois l'ont maintenant démontré sur une molécule individuelle pour la première fois.

Les rubans de graphène sont donc des objets de recherche intéressants pour les physiciens, mais ils ne sont pas encore très adaptés aux applications en nanoélectronique. Néanmoins, une autre découverte de leurs expériences oriente les chercheurs berlinois dans la direction d'un nanofil parfait :la nature du transport d'électrons dépend de la façon dont le bord de la bande est formé. Les scientifiques font la différence entre une structure en zigzag et une structure de fauteuil. Avec la structure du fauteuil, les atomes de carbone sont disposés de telle sorte que leur silhouette ressemble à une rangée de sièges et d'accoudoirs, tandis qu'avec le motif en zigzag, ils suivent un simple haut et bas.

La conductance change si le fil est plié

Pour qu'un tel nanofil présente vraiment une conductance parfaite - quelle que soit la longueur moléculaire - les scientifiques de l'Institut Fritz Haber doivent également modifier leur expérience. Lorsque la pointe du microscope à effet tunnel soulève le ruban de graphène de la surface dorée, la bande se plie légèrement. Cela modifie ses caractéristiques électroniques, tout comme l'eau coule à travers un lit de rivière rectiligne sans obstruction, mais subit de fortes turbulences dans les virages étroits. "Nous avons vu des indications que nous pouvons observer une conductance exceptionnelle dans un ruban de graphène qui n'est pas plié, " dit Leonhard Grill.

Les physiciens souhaitent donc désormais concevoir des expériences permettant des mesures de conductance avec des nanofils droits. La simple mesure d'un ruban de graphène posé sur une surface plane ne produira pas instantanément le résultat souhaité. "Dans une configuration expérimentale comme celle-ci, la conductance de la bande de carbone est influencée par la surface sur laquelle elle repose, " explique Leonhard Grill. Son groupe cherche donc des moyens d'éviter ces interactions. Par ailleurs, les scientifiques berlinois veulent étudier des fils moléculaires avec différentes structures et compositions - toujours dans l'optique d'amener des molécules à faire l'arithmétique, comme l'explique Leonhard Grill :« Le but de notre travail est d'acquérir un aperçu fondamental des processus physiques dans de tels systèmes afin de trouver non seulement le nanofil parfait, mais aussi concevoir d'autres composants électroniques à partir de molécules individuelles."