En électronique, rien ne fonctionne sans transistors :ce sont les éléments constitutifs fondamentaux sur lesquels reposent les circuits logiques de nos puces informatiques. Ils sont généralement constitués de cristaux de silicium, dopé avec d'autres types d'atomes. Une équipe de recherche suisse/autrichienne (TU Wien, l'Université de Vienne, l'Université de Zurich, IBM Zurich) a maintenant réussi à développer un transistor qui fonctionne d'une manière fondamentalement différente et se compose uniquement d'une seule molécule. Au lieu de trois électrodes, comme dans un transistor classique, cette molécule de commutation n'en nécessite que deux. Le nouveau nanoswitch vient d'être présenté dans la revue spécialisée Nature Nanotechnologie .

Zéro ou un

"La caractéristique clé d'un transistor est qu'il peut prendre deux états différents, " explique Robert Stadler de l'Institut de physique théorique de la TU Wien (au début du projet, il travaillait encore au Département de chimie physique de l'Université de Vienne). Selon l'état dans lequel se trouve le transistor, il permet au courant de circuler ou non. Un transistor classique à cristaux de silicium possède donc trois contacts :le courant est fourni par l'un de ceux-ci, et est capable de couler dans le second; que cela se produise ou non dépend de la tension appliquée au troisième contact, qui est connu sous le nom de « contact de porte ».

Afin d'accueillir toujours plus de transistors dans une surface toujours plus petite, transistors ont continué à diminuer en taille au cours des dernières décennies. Cela a considérablement amélioré l'efficacité de l'électronique, mais le fait, cependant, apporter avec elle des problèmes techniques toujours plus grands. Avec la technologie silicium conventionnelle, des limitations physiques sont rencontrées en conséquence. "Avec des cristaux extrêmement petits, vous n'avez plus un contrôle suffisant sur les propriétés électroniques, surtout s'il ne reste qu'un petit nombre de dopants et que la couche isolante de la grille permet de plus en plus de fuites, " explique Stadler. " Cependant, si vous passez des cristaux aux molécules organiques à l'échelle nanométrique, vous avez alors de nouvelles opportunités de modifier les caractéristiques du transport."

De la molécule au transistor

A l'Université de Zurich, les chimistes ont donc synthétisé des structures moléculaires organométalliques dotées d'atomes métalliques individuels de fer, ruthénium ou molybdène. Ces molécules de conception, qui ne mesurent qu'environ deux nanomètres et demi de long, sont ensuite soigneusement connectés à l'aide de deux contacts en or au laboratoire de recherche d'IBM à Rüschlikon avant que la tension puisse leur être appliquée.

Pour l'un des types de molécules testés, qui a un atome de molybdène placé en son cœur, des propriétés tout à fait remarquables ont été observées :à la manière d'un transistor au silicium, cette molécule bascule entre deux états différents, qui diffèrent de trois ordres de grandeur quant à leur conductivité. Des simulations informatiques complexes étaient nécessaires pour comprendre le processus sous-jacent; ceux-ci ont été réalisés par Robert Stadler et son doctorant Georg Kastlunger au Vienna Scientific Cluster (VSC). Cela a permis de décoder le mécanisme à un niveau physique quantique.

"Directement sur l'atome de molybdène il y a un certain espace qui peut être occupé par un électron, " dit Robert Stadler. " La quantité de courant qui peut traverser la molécule à une certaine tension dépend de la présence ou non d'un électron occupant cet espace ou non. " Et cela en soi peut être contrôlé. Si l'espace est occupé. , relativement peu de courant circule à basse tension. A une tension plus élevée, cependant, l'électron peut être délogé de sa place spéciale sur l'atome de molybdène. Par conséquent, le système passe dans un nouvel état avec une conductivité améliorée d'un facteur mille environ, provoquant une forte augmentation du débit de courant. Un processus de commutation et de sélection peut donc être effectué via les deux contacts en or, entre lesquels la molécule est fixée. Une troisième électrode, comme cela est habituellement requis pour un transistor classique, n'est plus nécessaire, ce qui simplifie considérablement le processus de câblage.

La technologie pour les puces du futur

La technologie elle-même, cependant, est encore trop coûteux à mettre en production de masse pour les puces informatiques commerciales. C'est pourquoi les expériences ont été réalisées à basse température et sous ultra-vide. Cependant, IBM travaille déjà sur des conceptions pour incorporer plusieurs de ces molécules dans des nanopores sur une puce de silicium, afin qu'ils fonctionnent dans des conditions environnementales normales à température ambiante. "Ce serait plus simple et nos méthodes théoriques seraient sans doute adaptées à de tels systèmes, trop, " déclare Stadler avec confiance. " Peut-être que les molécules organiques avec des atomes métalliques intégrés peuvent ouvrir la voie à des commutateurs ultra-petits pour de nouveaux systèmes de stockage; dans tous les cas, il existe un potentiel d'applications intéressantes, d'autant plus que l'omission de la troisième électrode permet des densités d'intégration inégalées."