Une équipe internationale de chercheurs dirigée par le Laboratoire national de physique (NPL) et l'Université de Berne a révélé une nouvelle façon de régler la fonctionnalité des dispositifs électroniques moléculaires de nouvelle génération à l'aide de graphène. Les résultats pourraient être exploités pour développer de plus petits, dispositifs plus performants pour une utilisation dans une gamme d'applications, y compris la détection moléculaire, électronique souple, et la conversion et le stockage d'énergie, ainsi que des configurations de mesure robustes pour les étalons de résistance.

Le domaine de l'électronique moléculaire à l'échelle nanométrique vise à exploiter des molécules individuelles comme éléments constitutifs d'appareils électroniques, pour améliorer les fonctionnalités et permettre aux développeurs d'atteindre un niveau sans précédent de miniaturisation et de contrôle des appareils. Le principal obstacle aux progrès dans ce domaine est l'absence de contacts stables entre les molécules et les métaux utilisés qui peuvent à la fois fonctionner à température ambiante et fournir des résultats reproductibles.

Le graphène possède non seulement une excellente stabilité mécanique, mais aussi des propriétés conductrices électroniques et thermiques exceptionnellement élevées, rendant le matériau 2D émergent très attrayant pour une gamme d'applications possibles en électronique moléculaire.

Une équipe d'expérimentateurs de l'Université de Berne et de théoriciens du NPL (UK) et de l'Université du Pays Basque (UPV/EHU, Espagne), avec l'aide de collaborateurs de Chuo University (Japon), ont démontré la stabilité des dispositifs électroniques moléculaires multicouches à base de graphène jusqu'à la limite de la molécule unique.

Les résultats, rapporté dans le journal Avancées scientifiques , représentent une étape majeure dans le développement de l'électronique moléculaire à base de graphène, avec les propriétés reproductibles des contacts covalents entre les molécules et le graphène (même à température ambiante) dépassant les limites des technologies de pointe actuelles basées sur les métaux de frappe.

Connecter des molécules uniques

L'adsorption de molécules spécifiques sur des appareils électroniques à base de graphène permet d'ajuster la fonctionnalité de l'appareil, principalement en modifiant sa résistance électrique. Cependant, il est difficile de relier les propriétés globales du dispositif aux propriétés des molécules individuelles adsorbées, puisque les quantités moyennes ne peuvent pas identifier de grandes variations à travers la surface du graphène.

Dr Alexander Rudnev et Dr Veerabhadrarao Kaliginedi, du Département de chimie et biochimie de l'Université de Berne, effectué des mesures du courant électrique circulant à travers des molécules uniques attachées à des électrodes de graphite ou de graphène multicouche à l'aide d'une technique expérimentale unique à faible bruit, ce qui leur a permis de résoudre ces variations molécule à molécule.

Guidé par les calculs théoriques du Dr Ivan Rungger (NPL) et du Dr Andrea Droghetti (UPV/EHU), ils ont démontré que les variations sur la surface du graphite sont très faibles et que la nature du contact chimique d'une molécule avec la couche supérieure de graphène dicte la fonctionnalité des dispositifs électroniques à molécule unique.

"Nous constatons qu'en concevant soigneusement le contact chimique des molécules avec des matériaux à base de graphène, nous pouvons régler leur fonctionnalité, " a déclaré le Dr Rungger. "Nos diodes à molécule unique ont montré que la direction de rectification du courant électrique peut en effet être commutée en changeant la nature du contact chimique de chaque molécule, " a ajouté le Dr Rudnev.

"Nous sommes convaincus que nos découvertes représentent une étape importante vers l'exploitation pratique des dispositifs électroniques moléculaires, et nous nous attendons à un changement significatif dans la direction du domaine de la recherche suivant notre voie de liaison chimique stable à température ambiante, " a résumé le Dr Kaliginedi.

Les résultats aideront également les chercheurs travaillant dans la recherche sur l'électrocatalyse et la conversion d'énergie à concevoir des interfaces graphène/molécule dans leurs systèmes expérimentaux afin d'améliorer l'efficacité du catalyseur ou du dispositif.