Une équipe de scientifiques de l'Université fédérale de Sibérie (SibFU), avec des collègues étrangers, ont décrit les propriétés structurelles et physiques d'un groupe de matériaux bidimensionnels à base de molécules polycycliques appelées circulenes. La possibilité de conception flexible et les propriétés variables de ces matériaux les rendent adaptés à la nanoélectronique. Les résultats sont publiés dans le Journal de chimie physique C .

Les circulènes sont des molécules organiques constituées de plusieurs cycles d'hydrocarbures formant une structure en forme de fleur. Leur grande stabilité, symétrie, et leurs propriétés optiques les rendent particulièrement intéressantes pour la nanoélectronique, notamment pour les cellules solaires et les LED organiques. La molécule de tétraoxa[8]circulène la plus stable et la plus étudiée pourrait être potentiellement polymérisée en nanorubans et feuilles de type graphène. Les auteurs ont publié les résultats de simulations prouvant cette possibilité. Ils ont également décrit les propriétés et la structure des matériaux proposés.

"Avec un seul bloc de construction, une molécule de tétraoxa[8]circulène, nous pouvons créer un matériau aux propriétés similaires à celles du silicium (un semi-conducteur traditionnellement utilisé en électronique) ou du graphène (un semi-métal) en fonction des paramètres de synthèse. Cependant, les matériaux proposés présentent certains avantages. La mobilité des porteurs de charge est environ 10 fois supérieure à celle du silicium, donc, on pourrait s'attendre à une conductivité plus élevée, " dit l'auteur principal de l'étude Artem Kuklin, chercheur associé au département de physique théorique de l'Université fédérale de Sibérie.

Après avoir déterminé les géométries d'équilibre et testé leur stabilité, les scientifiques ont découvert plusieurs polymères stables à base de tétraoxa[8]circulène. La différence entre eux était dans le type de couplage entre les molécules, ce qui a donné des propriétés différentes. Les polymères présentent une mobilité élevée des porteurs de charge. Cette propriété a été analysée en ajustant des zones d'énergie à proximité de la bande interdite, un paramètre représenté par la séparation des états électroniques vides et occupés. Les propriétés mécaniques démontrent que les nouveaux matériaux sont 1,5 à trois fois plus extensibles que le graphène. Les auteurs rapportent également les états topologiques dans l'un des polymères causés par le couplage spin-orbite, ce qui n'est pas typique des matériaux à base d'éléments légers. Les matériaux sont des isolants en vrac, mais peut conduire l'électricité sur la surface (bords).

"Les nanostructures proposées possèdent des propriétés utiles et peuvent être utilisées dans la production de tamis ioniques et pour des éléments de dispositifs nanoélectroniques. En outre, nous prévoyons de modifier nos composés avec des adatomes métalliques pour étudier leurs propriétés magnétiques et catalytiques. Nous aimerions également trouver un groupe de recherche qui pourrait synthétiser ces matériaux, " conclut Artem Kuklin.