Des chercheurs de l'Université Rice ont découvert une nouvelle façon d'effectuer des mesures de conductivité ultrasensibles à des fréquences optiques sur des composants électroniques à grande vitesse à l'échelle nanométrique.

La recherche du Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) est décrite en ligne dans une nouvelle étude publiée dans le journal de l'American Chemical Society ACS Nano . Dans une série d'expériences, Les chercheurs du LANP ont lié des paires de nanodisques métalliques en forme de rondelle avec des nanofils métalliques et ont montré comment le flux de courant à des fréquences optiques à travers les nanofils produisait des "plasmons de transfert de charge" avec des signatures optiques uniques.

« La volonté d'augmenter continuellement la vitesse des composants des micropuces incite les chercheurs à se pencher sur des dispositifs et des composants à l'échelle nanométrique qui fonctionnent à des fréquences optiques pour l'électronique de nouvelle génération, " a déclaré Naomi Halas, directrice du LANP, le scientifique principal de l'étude. "On ne sait pas bien comment ces matériaux et composants fonctionnent à des fréquences lumineuses extrêmement élevées, et la nouvelle technique de LANP fournit un moyen de mesurer les propriétés de transport électrique des nanomatériaux et des structures à ces fréquences extrêmement élevées."

Halas est le professeur Stanley C. Moore de Rice en génie électrique et informatique et professeur de chimie, bio-ingénierie, physique et astronomie, et la science des matériaux et la nano-ingénierie. Son laboratoire est spécialisé dans l'étude des nanoparticules qui interagissent avec la lumière. Par exemple, certaines nanoparticules métalliques convertissent la lumière en plasmons, vagues d'électrons qui circulent comme un fluide à travers la surface de la particule. Dans des dizaines d'études au cours des deux dernières décennies, Les chercheurs du LANP ont exploré la physique fondamentale de la plasmonique et montré comment les interactions plasmoniques peuvent être exploitées pour des applications aussi diverses que le diagnostic médical, traitement du cancer, collecte d'énergie solaire et calcul optique.

Un type d'interaction plasmonique que l'équipe de Halas étudie depuis longtemps est le couplage plasmonique, une sorte de danse interactive dans laquelle les plasmons s'engagent lorsque deux ou plusieurs particules plasmoniques sont situées à proximité les unes des autres. Par exemple, lorsque deux nanodisques plasmoniques en forme de palet sont situés à proximité l'un de l'autre, ils agissent comme un tout petit, condensateur activé par la lumière. Lorsqu'un fil conducteur est utilisé pour relier les deux, leurs énergies plasmoniques changent et une nouvelle résonance appelée plasmon "transfert de charge", apparaît à une fréquence distincte.

Dans la nouvelle recherche, l'auteur principal de l'étude Fangfang Wen, un étudiant diplômé Rice au LANP, ont examiné les propriétés optiques de paires de nanodisques pontés . Quand elle a créé des plasmons dans les paires, elle a observé la charge circulant dans les deux sens le long des fils à des fréquences optiques. En examinant les plasmons de transfert de charge dans ces paires, elle a découvert que le courant électrique circulant à travers la jonction introduisait une signature optique caractéristique.

« Dans le cas où un fil conducteur était présent dans la jonction, on a vu une signature optique très différente du boitier sans fil, " a déclaré Wen. Wen a ensuite mis en place une série d'expériences où elle a fait varier la largeur et la forme des nanofils de pontage et a répété ces mesures pour les nanofils de deux métaux différents, or et aluminium.

Ces expériences ont révélé deux résultats clés. D'abord, à l'extrémité inférieure de l'échelle de conductance, elle a découvert que même les moindres changements de conductivité entraînaient des changements optiques notables, une découverte qui pourrait être particulièrement intéressante pour les chercheurs en électronique moléculaire qui s'intéressent à la mesure de la conductivité dans des structures aussi petites qu'une seule molécule.

"Nous avons également constaté que notre plate-forme donnait une signature optique différente dans les cas où le niveau de conductance était le même mais le matériau de jonction était différent, " dit Wen. " Si nous avions des nanofils avec la même conductance qui étaient faits de matériaux différents, nous avons vu une signature optique différente. Si nous utilisions le même matériau, avec des géométries différentes, nous avons vu la même signature."

Cette spécificité et cette répétabilité pourraient également être utiles aux chercheurs qui souhaiteraient utiliser cette approche pour identifier la conductance des nanofils, ou d'autres composants électroniques à l'échelle nanométrique, aux fréquences optiques. "La conductance de fréquence optique de la plupart des matériaux n'est pas connue, " dit-elle. " Cela fournit une méthode utile et pratique pour mesurer cette propriété.

"Pour réduire la taille de l'électronique même au-delà des limites d'aujourd'hui, les scientifiques veulent étudier le transfert d'électrons à travers une seule molécule, particulièrement à très haut, même les fréquences optiques, " Wen a déclaré. "De tels changements ne peuvent pas être mesurés à l'aide d'appareils électroniques ou d'instruments standard qui fonctionnent à des fréquences micro-ondes. Notre recherche fournit une nouvelle plate-forme pour la mesure de la conductance à l'échelle nanométrique à des fréquences optiques."

Reconnaissant le potentiel de la recherche à améliorer « la vie des gens grâce au pouvoir de transformation de la chimie, " l'American Chemical Society a fait du papier un choix des éditeurs d'ACS et le met gratuitement à la disposition du public en ligne.