Des chercheurs du Berkeley Lab et de l'Université Columbia ont créé la diode à molécule unique la plus performante au monde en utilisant une combinaison d'électrodes en or et d'une solution ionique. Crédit :Latha Venkataraman, Université Columbia
Une équipe de chercheurs du Berkeley Lab et de l'Université de Columbia a franchi une étape importante dans l'électronique moléculaire avec la création de la diode à molécule unique la plus performante au monde. Travaillant à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, une installation utilisateur du Bureau des sciences du ministère de l'Énergie des États-Unis (DOE), l'équipe a utilisé une combinaison d'électrodes en or et d'une solution ionique pour créer une diode à molécule unique qui surpasse d'un facteur 50 les meilleures de ses prédécesseurs.
"En utilisant une seule molécule symétrique, une solution ionique et deux électrodes en or de surfaces exposées radicalement différentes, nous avons pu créer une diode qui a abouti à un rapport de redressement, le rapport du courant direct au courant inverse à tension fixe, plus de 200, qui est un record pour les dispositifs à molécule unique, " dit Jeff Neaton, Directeur de la Fonderie Moléculaire, chercheur principal à la faculté des sciences des matériaux du Berkeley Lab et au département de physique de l'Université de Californie à Berkeley, et membre du Kavli Energy Nanoscience Institute à Berkeley (Kavli ENSI).
"L'asymétrie nécessaire au comportement de la diode provient des différentes zones d'électrodes exposées et de la solution ionique, ", dit-il. "Cela conduit à différents environnements électrostatiques entourant les deux électrodes et à un comportement de dispositif à molécule unique superlatif."
Avec "plus petit et plus rapide" comme mantra moteur de l'industrie électronique, les dispositifs à molécule unique représentent la limite ultime de la miniaturisation électronique. En 1974, les pionniers de l'électronique moléculaire Mark Ratner et Arieh Aviram ont émis l'hypothèse qu'une molécule asymétrique pourrait agir comme un redresseur, un conducteur unidirectionnel de courant électrique. Depuis, le développement de dispositifs électroniques fonctionnels à molécule unique a été un objectif majeur, les diodes - l'un des composants électroniques les plus largement utilisés - étant en tête de liste.
Une diode typique se compose d'une jonction p-n en silicium entre une paire d'électrodes (anode et cathode) qui sert de "valve" d'un circuit électrique, diriger le flux de courant en lui permettant de passer dans un seul sens "en avant". L'asymétrie d'une jonction p-n présente aux électrons un environnement de transport « on/off ». Les scientifiques ont déjà façonné des diodes à molécule unique soit par la synthèse chimique de molécules asymétriques spéciales qui sont analogues à une jonction p-n; ou par l'utilisation de molécules symétriques avec des métaux différents comme les deux électrodes. Cependant, les jonctions asymétriques résultantes ont donné de faibles taux de rectification, et faible courant direct. Neaton et ses collègues de l'Université Columbia ont découvert un moyen de combler ces deux lacunes.
"Le flux d'électrons à des échelles de longueur moléculaire est dominé par l'effet tunnel quantique, " Neaton explique. " L'efficacité du processus tunnel dépend intimement du degré d'alignement des niveaux d'énergie discrets de la molécule avec le spectre continu de l'électrode. Dans un redresseur moléculaire, cet alignement est amélioré pour une tension positive, entraînant une augmentation des tunnels, et est réduit pour une tension négative. À la Molecular Foundry, nous avons développé une approche pour calculer avec précision l'alignement du niveau d'énergie et la probabilité d'effet tunnel dans les jonctions monomoléculaires. Cette méthode m'a permis, ainsi qu'à Zhenfei Liu, de comprendre quantitativement le comportement de la diode."
En collaboration avec Latha Venkataraman et Luis Campos de l'Université Columbia et leurs groupes de recherche respectifs, Neaton et Liu ont fabriqué un redresseur hautes performances à partir de jonctions constituées de molécules symétriques à résonance moléculaire en alignement presque parfait avec les niveaux d'énergie des électrons de Fermi des électrodes en or. La symétrie a été brisée par une différence substantielle dans la taille de la zone sur chaque électrode d'or qui a été exposée à la solution ionique. En raison de la zone d'électrode asymétrique, la solution ionique, et l'alignement des niveaux d'énergie de jonction, une tension positive augmente sensiblement le courant; une tension négative le supprime de manière tout aussi significative.
Schéma de la jonction moléculaire créée à l'aide d'électrodes à surface asymétrique qui fonctionne comme une diode, permettant au courant de circuler dans un seul sens. Crédit :avec l'aimable autorisation du Berkeley Lab et de l'Université de Columbia
"La solution ionique, combiné avec l'asymétrie dans les zones d'électrodes, nous permet de contrôler l'environnement électrostatique de la jonction en changeant simplement la polarité de polarisation, " Neaton dit. " En plus de briser la symétrie, les doubles couches formées par la solution ionique génèrent également des différences dipolaires au niveau des deux électrodes, qui est la raison sous-jacente du déplacement asymétrique de la résonance moléculaire. Les expériences du groupe Columbia ont montré qu'avec la même configuration de molécule et d'électrode, une solution non ionique ne donne aucune rectification."
L'équipe de Berkeley Lab-Columbia University pense que sa nouvelle approche d'une diode à molécule unique fournit une voie générale pour régler les phénomènes non linéaires de dispositifs nanométriques qui pourraient être appliqués à des systèmes au-delà des jonctions monomoléculaires et des dispositifs à deux terminaux.
« Nous nous attendons à ce que les connaissances acquises grâce à ce travail soient applicables au déclenchement par liquide ionique dans d'autres contextes, et mécanismes à généraliser aux dispositifs fabriqués à partir de matériaux bidimensionnels, " Neaton dit. " Au-delà des appareils, ces minuscules circuits moléculaires sont des boîtes de Pétri pour révéler et concevoir de nouvelles voies de charge et de flux d'énergie à l'échelle nanométrique. Ce qui me passionne dans ce domaine, c'est sa nature multidisciplinaire - le besoin à la fois de physique et de chimie - et le fort couplage bénéfique entre l'expérience et la théorie.
"Avec le niveau croissant de contrôle expérimental au niveau de la molécule unique, et des améliorations dans la compréhension théorique et la vitesse et la précision de calcul, nous ne sommes qu'à la pointe de l'iceberg avec ce que nous pouvons comprendre et contrôler à ces petites échelles de longueur."
Néaton, Venkataraman et Campos sont les auteurs correspondants d'un article décrivant cette recherche dans Nature Nanotechnologie . L'article s'intitule « Diodes à molécule unique avec des rapports de rectification élevés grâce au contrôle de l'environnement ». Les autres co-auteurs sont Brian Capozzi, Jianlong Xia, Olgoun Adak, Emma Dell, Zhen-Fei Liu et Jeffrey Taylor.
