Structures auto-assemblées, appelées hétérojonctions, contiennent des molécules de pentacène ordonnées (violet) debout sur des buckyballs (rouge) ordonnées sur une surface de cuivre. La carte mesurée (à gauche) montre le taux de redressement, qui est une mesure de la quantité de courant qui circule dans les sens direct et inverse. L'hétérojonction a un rapport de rectification bien meilleur (insert bleu – ligne courbée I(V)) que le pentacène sans tampon buckyball (insert rouge à gauche – ligne droite I(V)). Crédit :Département américain de l'Énergie
Les circuits sont devenus plus petits, laisser les ordinateurs tenir dans la paume de votre main, mais et si les circuits pouvaient être aussi petits que des molécules ? Pour créer de tels circuits, les scientifiques ont besoin de diodes moléculaires qui laissent passer le courant dans une direction, mais pas un autre. Les diodes à base de carbone sont prometteuses, mais ils sont sensibles à leur environnement. Ils ne fonctionnent pas bien lorsqu'ils s'intègrent dans des appareils pratiques. Les scientifiques ont restructuré la diode en séparant la région du tube électronique, constitué d'une seule couche de pentacène, des électrodes métalliques. Le tampon est une fine couche de minuscules billes de carbone, ou buckyballs. La nouvelle diode est 1, 000 fois plus efficace pour conduire le courant dans un sens que dans l'autre.
Les scientifiques ont identifié le mécanisme moléculaire de Schottky qui permet à la diode de conduire l'électricité dans un sens et non dans l'autre. Ce mécanisme peut s'avérer être une caractéristique générale de tels systèmes moléculaires, et la capacité de le concevoir par l'ajout d'une couche mince peut avoir des implications pour la production de masse d'électronique moléculaire et d'innovations dans les cellules solaires et certains photovoltaïques organiques.
Plus de quarante ans après la proposition originale des diodes moléculaires organiques, les performances électriques de tels dispositifs restent inférieures de plusieurs ordres de grandeur à leurs homologues inorganiques. Une raison principale est que les molécules sont très sensibles à leur environnement immédiat, de sorte qu'une grande partie de leurs propriétés électriques intrinsèques souhaitables sont perdues lorsqu'elles sont intégrées dans des dispositifs réels. Ce travail surmonte de tels problèmes en découplant la région du dispositif actif constituée d'une monocouche de pentacène des électrodes métalliques à l'aide d'une couche tampon constituée de buckyballs métallisés (C60).
Les interactions intrinsèquement faibles entre le C60 et le pentacène et le fort couplage du C60 avec le cuivre conduisent à un système rappelant une diode Schottky à 2 molécules d'épaisseur, avec un redressement de courant comparable aux meilleures performances dans le domaine des diodes moléculaires. Ces découvertes ouvrent la possibilité de concevoir un comportement électrique non linéaire à l'échelle du nanomètre dans l'optoélectronique organique et le photovoltaïque. Les capacités de microscopie à effet tunnel du Centre pour les matériaux à l'échelle nanométrique (CNM) avec préparation de surface sous ultravide étaient essentielles à la construction et à la caractérisation de ces systèmes auto-assemblés à l'échelle atomique. Avec cette structure déterminée expérimentalement, des calculs sur le cluster de calcul haute performance du CNM ont mis au jour la structure électronique et le mécanisme de transport de l'hétérojonction.
