Une équipe internationale de physiciens a utilisé un microscope à effet tunnel pour créer un minuscule transistor composé d'une seule molécule et d'un petit nombre d'atomes. L'action observée des transistors est nettement différente du comportement classiquement attendu et pourrait être importante pour les futures technologies de dispositifs ainsi que pour les études fondamentales du transport des électrons dans les nanostructures moléculaires. Les physiciens représentent le Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) et la Freie Universität Berlin (FUB), Allemagne, les Laboratoires de Recherche Fondamentale NTT (NTT-BRL), Japon, et le Laboratoire de recherche naval des États-Unis (NRL). Leurs conclusions complètes sont publiées dans le numéro du 13 juillet 2015 de la revue Physique de la nature .

Les transistors ont une région de canal entre deux contacts externes et une électrode de grille électrique pour moduler le flux de courant à travers le canal. Dans les transistors à l'échelle atomique, ce courant est extrêmement sensible aux sauts d'électrons isolés via des niveaux d'énergie discrets. Dans des études antérieures, les chercheurs ont examiné le transport d'électrons uniques dans des transistors moléculaires en utilisant des approches descendantes, telles que la lithographie et les jonctions de rupture. Mais un contrôle atomiquement précis de la grille, qui est crucial pour l'action des transistors aux plus petites échelles de taille, n'est pas possible avec ces approches.

L'équipe a utilisé un microscope à effet tunnel (STM) très stable pour créer un transistor composé d'une seule molécule organique et d'atomes métalliques chargés positivement, en les positionnant avec la pointe STM sur la surface d'un cristal d'arséniure d'indium (InAs). Dr Kiyoshi Kanisawa, un physicien à NTT-BRL, ont utilisé la technique de croissance de l'épitaxie par faisceau moléculaire pour préparer cette surface. Ensuite, l'approche STM a permis aux chercheurs d'assembler des portes électriques à partir des atomes chargés +1 avec une précision atomique, puis de placer la molécule à diverses positions souhaitées à proximité des portes. Dr Stefan Fölsch, un physicien au PDI qui dirigeait l'équipe, a expliqué que "la molécule n'est que faiblement liée au modèle InAs. Ainsi, lorsque nous amenons la pointe STM très près de la molécule et appliquons une tension de polarisation à la jonction pointe-échantillon, les électrons uniques peuvent créer un tunnel entre le modèle et la pointe en sautant via des orbitales moléculaires presque non perturbées, similaire au principe de fonctionnement d'une boîte quantique fermée par une électrode externe. Dans notre cas, les atomes chargés à proximité fournissent le potentiel de grille électrostatique qui régule le flux d'électrons et l'état de charge de la molécule."

Mais il existe une différence substantielle entre une boîte quantique semi-conductrice conventionnelle - comprenant généralement des centaines ou des milliers d'atomes - et le cas présent d'une molécule liée à la surface. Dr Steven Erwin, physicien au Center for Computational Materials Science du NRL et expert en théorie de la fonctionnelle de la densité, souligné que, "la molécule adopte des orientations de rotation différentes, en fonction de son état de charge. Nous l'avons prédit sur la base de calculs des premiers principes et l'avons confirmé en imagerie de la molécule avec le STM."

Ce couplage entre la charge et l'orientation a un effet dramatique sur le flux d'électrons à travers la molécule, se manifeste par un écart de conductance important à de faibles tensions de polarisation. Dr Piet Brouwer, physicien à la FUB et expert en théorie du transport quantique, mentionné, "Ce comportement intrigant va au-delà de l'image établie du transport de charge à travers une boîte quantique fermée. Au lieu de cela, nous avons développé un modèle générique qui tient compte de la dynamique électronique et orientationnelle couplée de la molécule. » Ce modèle simple et physiquement transparent reproduit entièrement les caractéristiques des transistors à molécule unique observées expérimentalement.

La perfection et la reproductibilité offertes par ces transistors générés par STM permettront aux chercheurs d'explorer les processus élémentaires impliquant le flux de courant à travers des molécules uniques à un niveau fondamental. Comprendre et contrôler ces processus - et les nouveaux types de comportement auxquels ils peuvent conduire - sera important pour intégrer les dispositifs à base de molécules aux technologies existantes des semi-conducteurs.