Notre compréhension de l'électronique à molécule unique est devenue plus claire et la réponse impliquait l'utilisation d'un article ménager courant - le sel.

S'appuyant sur un article précédent en 2009, où les scientifiques et collaborateurs d'IBM ont démontré la capacité de mesurer l'état de charge d'atomes individuels en utilisant la microscopie à force atomique sans contact (AFM), ils sont maintenant allés plus loin, mesurer les niveaux d'énergie de molécules isolées sur des isolants, pour la première fois. La recherche paraît aujourd'hui dans la revue à comité de lecture Nature Nanotechnologie .

Inventé au milieu des années 1980, le microscope à force atomique mesure de minuscules forces entre la pointe et l'échantillon, comme une molécule sur un support. La pointe est un multi-usage, instrument précis, qui peut imager des molécules à une résolution sans précédent et même déclencher des réactions moléculaires jamais vues auparavant.

Mise à l'échelle de l'électronique

Si vous avez déjà ouvert tout type d'appareil électronique, comme un PC ou même un réveil numérique, vous auriez découvert ce qu'on appelle une carte de circuit imprimé (PCB). Ces panneaux typiquement verts ressemblent à des cartes montrant tous les composants électroniques de l'appareil, comprenant, ce qu'on appelle des pistes conductrices. Ces pistes transportent du courant électrique, comme les voies ferrées, sur toute la carte pour que l'appareil puisse fonctionner. Les cartes comprennent également des couches isolantes qui protègent les pistes des fuites de courant. Sans ces couches, même les petits appareils électroniques nécessiteraient plus d'énergie pour fonctionner.

Lors de l'évaluation des blocs de construction de base de ce même PC ou horloge, mais en électronique moléculaire, nous verrions une configuration similaire avec des molécules uniques en tant que pistes conductrices et des électrons uniques transférés à partir des molécules. Alors que la couche isolante est utile sur le PCB, le substrat isolant sous-jacent similaire, à cette échelle, a d'autres effets qui doivent être pris en considération.

"En chargeant une molécule sur un isolant, les atomes de la molécule se détendront pour s'adapter à cette charge supplémentaire et, tout aussi important, il en sera de même pour les noyaux de l'isolant. Puisque la molécule est au-dessus d'un isolant, la caractérisation électronique d'un tel système est très difficile." a déclaré Shadi Fatayer, un pré-doc à IBM Research et le premier auteur de l'article.

Il ajoute, "Ce changement de position des atomes impacte leurs niveaux d'énergie, qui a des effets drastiques en termes de transfert d'un seul électron entre les molécules. Le taux de transfert des électrons pourrait être réglé pour varier de plusieurs ordres de grandeur."

L'équipe de scientifiques d'IBM, Université de Liverpool, L'Université Chalmers et l'Université de Ratisbonne ont essayé une approche différente pour résoudre ce problème.

Ils ont d'abord fait pousser des multicouches de NaCl, également connu sous le nom de chlorure de sodium ou de sel, servant de matériau isolant, au-dessus d'un substrat métallique. Un tel système permet aux molécules absorbées par le dessus d'avoir leurs états de charge stables et découplés de la surface métallique.

Puis, l'équipe a réfléchi :« Comment mesure-t-on les énergies de réorganisation ? Expérimentalement, cela se fait avec des molécules en solution, avec des molécules au-dessus d'un métal, mais jusqu'à maintenant, il n'y avait pas de technique permettant d'étudier des molécules individuelles au-dessus d'un isolant.

Leur approche unique consiste à utiliser l'AFM et des électrons uniques. Des électrons simples sont utilisés pour sonder les transitions d'état de charge de deux états de charge définis dans les deux sens. Dans l'expérience, les scientifiques testent leur méthode sur une seule molécule de naphtalocyanine.

Comme précédemment publié, les auteurs savaient qu'ils pouvaient utiliser de manière fiable l'AFM pour mesurer différents états de charge au-dessus d'un isolant ultra-mince avec une sensibilité à un seul électron. Ils ont également récemment démontré l'imagerie de molécules chargées de manière stable ainsi que le transfert d'électrons uniques entre les molécules au-dessus d'un isolant plus épais. Cependant, la capacité de mesurer les énergies de réorganisation nécessite de mesurer les niveaux d'énergie correspondant à des transitions charge-état particulières.

"Avant ce travail, nous savions mesurer le courant électrique à travers la molécule. Cependant, cela ne fonctionnait que dans une direction pour une orbitale donnée. Quand nous pouvions mesurer l'énergie pour attacher un électron à une certaine orbitale, nous ne pourrions jamais mesurer l'énergie pour retirer un électron de cette orbitale et vice versa. La capacité de mesurer dans les deux sens – cela manquait, " a déclaré Leo Gross, physicien d'IBM. " Avec notre méthode AFM, nous mesurons les niveaux d'énergie dans les deux directions de changement d'état de charge sur un substrat à couche mince. Mais c'est un travail incroyablement exigeant qui traite des signaux très faibles, ce qui signifie que de nombreuses mesures minutieuses sont nécessaires pour effectuer une analyse statistique appropriée."

Il ajoute, « Grâce à cette nouvelle méthodologie, on utilise la pointe et la force exercée sur la pointe pour compter les électrons isolés. Nous ajustons la hauteur et la tension de la pointe, puis nous comptons combien de temps il faut à un électron pour aller vers (ou depuis) ​​la pointe et à partir de là, vous pouvez obtenir les niveaux d'énergie.

"Notre plus grand défi était dû au fait que la pointe était plus éloignée que la normale pour mesurer correctement les événements de tunnel, " ajoute Fatayer. " Les forces très faibles que nous avons mesurées s'associent aux courants dans l'échelle zepto Ampère - c'est 10 à moins 21 (10 ^-21 ). La plupart des physiciens n'ont jamais besoin d'utiliser ce préfixe, mais nous le faisons en mesurant un électron toutes les quelques secondes. Nous utilisons littéralement l'AFM comme un courantomètre à un électron."

Bien qu'il s'agisse d'une recherche très fondamentale, les applications s'étendent des appareils électroniques, par exemple à la caractérisation des défauts des puces, au photovoltaïque et aux semi-conducteurs organiques.