À mesure que les appareils deviennent de plus en plus petits, les scientifiques se heurtent à des limites quant à la taille réalisable d'un circuit à l'aide de matériaux en vrac. Les circuits moléculaires offrent une solution possible pour surmonter ces contraintes de taille, et ont conduit à un domaine en pleine croissance fusionnant la chimie avec l'électronique.

Une étude de l'auteur principal Timothy A. Su et d'une équipe de l'Université de Columbia rapporte le premier interrupteur à molécule unique du genre avec deux phases de conductance distinctes basé sur les deux stéréoisomères de la molécule. Leurs travaux sont parus dans Chimie de la nature .

La conductivité est basée sur le mouvement des électrons. Les métaux sont très conducteurs car les électrons traversent facilement le matériau. Molécules non métalliques, comme les alcanes, sont également conducteurs, mais ont une conductivité inférieure à celle des métaux car les électrons ne voyagent pas aussi facilement à travers le réseau de liaison sigma. Cependant, ces non-métaux à longue chaîne sont intéressants pour les circuits moléculaires en raison de leur polyvalence synthétique et géométrique. Les oligosilanes offrent une meilleure option pour la mobilité des électrons en raison de la délocalisation sigma accrue le long des liaisons Si-Si, tout en conservant la polyvalence synthétique et géométrique qui rend les alcanes attrayants.

Su et al. testé divers silanes (perméthyloligosilanes) avec des substituants méthylthiométhyle à chaque extrémité de la molécule d'oligosilane. Ils ont testé la conductance de [SiMe 2 ] m où n représente de un à dix perméthylsilanes. La conductance a été testée en utilisant une jonction de rupture de microscope à effet tunnel, similaire à la fixation des méthylthiolméthyls terminaux à des électrodes en or de taille moléculaire de sorte que la molécule soit pontée par un Au-[SiMe 2 ] m -Au mode. La conductance a été mesurée par rapport à la longueur de l'oligosilane et par rapport à la distance entre la pointe STM en or et l'électrode, ou alors que l'oligosilane était systématiquement expansé et comprimé entre les deux surfaces d'or.

Les résultats des tests des différentes longueurs d'oligosilanes ont montré une diminution de la conductivité à mesure que la longueur de la molécule augmente. Cette "décroissance de conductance dépendante de la longueur" est une propriété attendue des non-métaux à longue chaîne et a été observée dans les alcanes, également.

Cependant, contrairement aux alcanes, dans tous les oligosilanes, il y a eu un changement brusque de conductance faible à élevée à mesure que la distance entre les électrodes augmente. On s'attendrait à ce que la conductance diminue à mesure que la distance entre la pointe en or et l'électrode augmente. En outre, ce changement brutal a été d'un facteur deux pour tous les oligosilanes, quelle que soit la longueur de la chaîne de silicium. La longueur du plateau de faible conductance augmentait à mesure que la longueur de l'oligosilane augmentait, mais la longueur du plateau de conductance élevée était la même pour toutes les molécules, ont indiqué que cet état était dû à une caractéristique commune à toutes les molécules et n'était pas lié à la longueur de la chaîne oligosilane.

Cette caractéristique de conductivité distinctement à deux états était probablement due aux angles dièdres terminaux formés par les liaisons Au-S-C-Si puisque cette caractéristique était la même pour toutes les molécules. Pour confirmer que le changement de conductance était dû à des effets stéréoélectroniques, Su et al. ont effectué une analyse DFT pour déterminer la conformation d'énergie la plus faible de leur oligosilane à des distances variables entre deux atomes d'or. Ils ont utilisé [Au-Si(4)-Au] ²⁺ structure comme molécule d'essai pour imiter les effets électroniques du système STM. Pour cette expérience, ils ont commencé avec des atomes d'or à une distance qui fournirait des angles dièdres dans une conformation anti sans contrainte et ont augmenté la distance entre les atomes d'or par incréments de 0,25 Angström.

Ils ont découvert que la distance entre les atomes d'or joue un rôle crucial dans la conformation moléculaire et donc sur la conductivité de l'oligosilane. Pendant l'état de faible conductance, la liaison Me-S est antipériplanaire (la liaison Au-S est perpendiculaire) à la liaison méthylsilane, ou dans une anti conformation. Au passage à la haute conductance, la liaison Me-S est perpendiculaire (la liaison Au-S est antipériplanaire) à la liaison méthylsilane, ou dans une conformation ortho.

L'anti conformation surmonte les contraintes stériques, mais la conformation ortho surmonte la contrainte mécanique due à la séparation des électrodes. L'anti conformation a des orbitales Au-S perpendiculaires au plan des liaisons Si-Si, entravant l'effet tunnel des électrons à travers la molécule, tandis que la conformation ortho a des orbitales Au-S alignées sur le même plan que les liaisons Si-Si, permettant une plus grande mobilité des électrons à travers le réseau de liaison sigma.

La commutation électrochimique se produit à une distance Au-Au spécifique pour chacun des oligosilanes, et les changements de conductance en temps réel par rapport à la distance. Par ailleurs, le commutateur moléculaire a deux états de conductance discrets, par opposition à un troisième État de transition. Bien qu'il y ait un moment où une liaison dièdre terminale est dans une conformation ortho et l'autre est une conformation anti, la conductance reste à l'état bas jusqu'à ce que les deux liaisons soient en conformation ortho, ce qui en fait un véritable commutateur binaire basé sur des effets stéréoélectroniques.

© 2015 Phys.org