Calcul du potentiel électrique différentiel induit par un réseau supramoléculaire de MBB-2 sur du graphène. Le réseau supramoléculaire est superposé pour plus de clarté. Le potentiel électrique est périodiquement modulé, avec des valeurs négatives dans la région sous les têtes moléculaires. Les atomes de carbone sont représentés en gris, hydrogène en blanc, l'azote en rouge, le fluor en bleu clair et le chlore en vert. Crédit :Lohé
Chercheurs de l'Université de Strasbourg &CNRS (France), en collaboration avec l'Université de Mons (Belgique), le Max Planck Institute for Polymer Research (Allemagne) et la Technische Universität Dresden (Allemagne), ont conçu une nouvelle stratégie supramoléculaire pour introduire des potentiels périodiques 1D accordables lors de l'auto-assemblage de blocs de construction organiques ad hoc sur le graphène, ouvrant la voie à la réalisation de matériaux multicouches hybrides organiques-inorganiques aux propriétés électroniques et optiques uniques. Ces résultats ont été publiés dans Communication Nature .
Empilements verticaux de différents cristaux bidimensionnels (2-D), comme le graphène, Nitrure de bore, etc., maintenues ensemble par de faibles forces de van der Waals sont communément appelées "hétérostructures de van der Waals". De telles structures multicouches sophistiquées peuvent être utilisées comme plate-forme polyvalente pour l'étude de divers phénomènes à l'échelle nanométrique. En particulier, la superposition mécanique des cristaux 2-D génère des potentiels périodiques 2-D qui confèrent au système des propriétés physiques et chimiques non conventionnelles.
Ici, une équipe de chercheurs européens a appliqué une approche supramoléculaire pour former des réseaux moléculaires organiques auto-assemblés avec une géométrie contrôlée et une précision atomique au-dessus du graphène, induisant des potentiels périodiques 1D dans les hétérostructures hybrides organiques-inorganiques résultantes. Dans ce but, les blocs de construction moléculaires ont été soigneusement conçus et synthétisés. Ceux-ci sont équipés (i) d'une longue queue aliphatique, diriger l'auto-assemblage et la périodicité du potentiel, et (ii) un groupe de tête diazirine photoréactif, dont le moment dipolaire module le potentiel de surface de la feuille de graphène sous-jacente. Lors de l'irradiation avec de la lumière ultraviolette (UV) avant le dépôt sur le graphène, le fragment diazirine est clivé et une espèce carbène réactive est formée. Ce dernier est susceptible de réagir avec les molécules de solvant, conduisant à un mélange de nouveaux composés portant des fonctionnalités différentes.
L'imagerie au microscope à effet tunnel (STM) a été utilisée pour caractériser l'arrangement à l'échelle nanométrique des réseaux supramoléculaires formés sur les surfaces de graphite et de graphène, qui détermine la périodicité et la géométrie des potentiels induits. La caractérisation électrique a ensuite été réalisée sur des dispositifs à effet de champ à base de graphène pour évaluer l'effet des différentes couches organiques auto-assemblées sur les caractéristiques électriques du matériau 2-D. Des simulations informatiques ont permis de démêler les interactions de l'assemblage moléculaire avec le graphène ; une analyse théorique a en outre confirmé que l'origine des effets de dopage peut être entièrement attribuée à l'orientation des dipôles électriques dans les groupes de tête. Finalement, un potentiel périodique avec la même géométrie mais une intensité différente pourrait être généré à partir d'un réseau supramoléculaire préparé après irradiation UV du bloc de construction moléculaire dans un solvant différent.
De cette façon, les chercheurs ont réussi à démontrer que les réseaux supramoléculaires organiques sont adaptés pour créer des potentiels périodiques 1D contrôlables à la surface du graphène. De façon intéressante, la périodicité, l'amplitude et le signe des potentiels induits peuvent être préprogrammés et ajustés par une conception moléculaire minutieuse. Cette approche supramoléculaire ascendante peut être étendue et appliquée à d'autres matériaux inorganiques 2-D tels que les dichalcogénures de métaux de transition, ouvrant la voie à des hétérostructures multicouches van der Waals plus complexes. Ces découvertes sont d'une grande importance pour la réalisation de matériaux hybrides organiques-inorganiques avec des propriétés structurelles et électroniques contrôlables présentant des caractéristiques électriques, magnétique, fonctionnalités piézoélectriques et optiques.
