Un objectif majeur dans le domaine de l'électronique moléculaire, qui vise à utiliser des molécules uniques comme composants électroniques, est de faire un dispositif où un quantifié, un débit de charge contrôlable peut être obtenu à température ambiante. Une première étape dans ce domaine consiste pour les chercheurs à démontrer que des molécules uniques peuvent fonctionner comme des éléments de circuit reproductibles tels que des transistors ou des diodes qui peuvent facilement fonctionner à température ambiante.

Une équipe dirigée par Latha Venkataraman, professeur de physique et chimie appliquées à Columbia Engineering et Xavier Roy, professeur assistant de chimie (Arts &Sciences), a publié une étude en Nature Nanotechnologie c'est le premier à démontrer de manière reproductible le blocage actuel - la capacité de faire passer un dispositif de l'état isolant à l'état conducteur où une charge est ajoutée et retirée un électron à la fois - en utilisant des amas moléculaires atomiquement précis à température ambiante.

Bonnie Choi, un étudiant diplômé du groupe Roy et co-auteur principal de l'ouvrage, a créé un seul groupe d'atomes géométriquement ordonnés avec un noyau inorganique composé de seulement 14 atomes - résultant en un diamètre d'environ 0,5 nanomètre - et des linkers positionnés qui ont câblé le noyau à deux électrodes en or, un peu comme une résistance est soudée à deux électrodes métalliques pour former un circuit électrique macroscopique (par exemple le filament d'une ampoule).

Les chercheurs ont utilisé une technique de microscope à effet tunnel dont ils ont été les pionniers pour réaliser des jonctions comprenant un seul cluster connecté aux deux électrodes en or, ce qui leur a permis de caractériser sa réponse électrique en faisant varier la tension de polarisation appliquée. La technique leur permet de fabriquer et de mesurer des milliers de jonctions avec des caractéristiques de transport reproductibles.

"Nous avons découvert que ces clusters peuvent très bien fonctionner en tant que diodes nanométriques à température ambiante dont nous pouvons adapter la réponse électrique en modifiant leur composition chimique, " dit Venkataraman. " Théoriquement, un seul atome est la plus petite limite, mais les dispositifs à un seul atome ne peuvent pas être fabriqués et stabilisés à température ambiante. Avec ces amas moléculaires, nous avons un contrôle total sur leur structure avec une précision atomique et pouvons modifier la composition et la structure élémentaires de manière contrôlable pour provoquer une certaine réponse électrique. »

Un certain nombre d'études ont utilisé des points quantiques pour produire des effets similaires, mais parce que les points sont beaucoup plus gros et de taille non uniforme, en raison de la nature de leur synthèse, les résultats n'ont pas été reproductibles - tous les appareils fabriqués avec des points quantiques ne se sont pas comportés de la même manière. L'équipe Venkataraman-Roy a travaillé avec des amas moléculaires inorganiques plus petits de forme et de taille identiques, ils savaient donc exactement – ​​jusqu'à l'échelle atomique – ce qu'ils mesuraient.

"La plupart des autres études ont créé des dispositifs à molécule unique qui fonctionnaient comme des transistors à électron unique à quatre degrés Kelvin, mais pour toute application réelle, ces appareils doivent fonctionner à température ambiante. Et les nôtres le font, " dit Giacomo Lovat, chercheur postdoctoral et co-auteur principal de l'article. "Nous avons construit un transistor à l'échelle moléculaire avec de multiples états et fonctionnalités, dans lequel nous contrôlons la quantité précise de charge qui passe. C'est fascinant de voir que de simples changements chimiques au sein d'une molécule, peut avoir une profonde influence sur la structure électronique des molécules, conduisant à différentes propriétés électriques.

L'équipe a évalué les performances de la diode à travers le rapport marche/arrêt, qui est le rapport entre le courant traversant l'appareil lorsqu'il est allumé et le courant résiduel encore présent dans son état "arrêt". À température ambiante, ils ont observé un rapport marche/arrêt d'environ 600 dans les jonctions à cluster unique, plus élevé que tout autre dispositif à molécule unique mesuré à ce jour. Particulièrement intéressant était le fait que ces jonctions étaient caractérisées par un mode de flux de charge « séquentiel » ; chaque électron transitant par une jonction d'amas s'est arrêté sur l'amas pendant un certain temps. D'habitude, dans les jonctions de petites molécules, les électrons "poussés" à travers la jonction par la polarisation appliquée font le saut en continu, d'une électrode à l'autre, de sorte que le nombre d'électrons sur la molécule à chaque instant n'est pas bien défini.

"Nous disons que le cluster devient 'chargé' car, pendant un court intervalle de temps avant que l'électron en transit ne saute dans l'autre électrode métallique, il stocke un supplément, " dit Roy. " Une telle séquence, ou discret, Le mode de conduction est dû à la structure électronique particulière de l'amas qui confine les électrons dans des orbitales fortement localisées. Ces orbitales expliquent également le régime de «blocage de courant» observé lorsqu'une faible tension de polarisation est appliquée à une jonction d'amas. Le courant chute à une très faible valeur à basse tension car les électrons du contact métallique n'ont pas assez d'énergie pour occuper l'une des orbitales de l'amas. Au fur et à mesure que la tension augmente, la première orbitale d'amas qui devient énergétiquement accessible ouvre une voie viable pour les électrons qui peuvent désormais sauter sur et hors de l'amas, entraînant des événements consécutifs de « chargement » et de « déchargement ». Le blocus est levé, et le courant commence à traverser la jonction."

Les chercheurs ont adapté les grappes pour explorer l'impact du changement de composition sur la réponse électrique des grappes et prévoient de s'appuyer sur leur étude initiale. Ils concevront des systèmes de cluster améliorés avec de meilleures performances électriques (par exemple, un rapport de courant marche/arrêt plus élevé, différents états accessibles), et augmenter le nombre d'atomes dans le noyau du cluster tout en maintenant la précision atomique et l'uniformité du composé. Cela augmenterait le nombre de niveaux d'énergie, correspondant chacun à une certaine orbite électronique à laquelle ils peuvent accéder avec leur fenêtre de tension. L'augmentation des niveaux d'énergie aurait un impact sur le rapport marche/arrêt de l'appareil, peut-être aussi en diminuant la puissance nécessaire pour allumer l'appareil si plus de niveaux d'énergie deviennent accessibles pour les électrons en transit à de faibles tensions de polarisation.

« La plupart des études sur le transport de molécules uniques ont été effectuées sur des molécules organiques simples car elles sont plus faciles à travailler, " Notes Venkataraman. "Notre effort de collaboration ici à travers la Columbia Nano Initiative relie la chimie et la physique, nous permettant d'expérimenter de nouveaux composés, tels que ces amas moléculaires, cela peut non seulement être plus difficile sur le plan synthétique, mais aussi plus intéressants en tant que composants électriques."