Chercheurs de l'IMDEA Nanociencia, L'Universidad Autónoma de Madrid et l'Universidad Complutense de Madrid ont présenté une nouvelle stratégie pour fabriquer des polymères 1-D quasi-métalliques avec une précision atomique, en collaboration avec l'Académie tchèque des sciences, EMPA (Zurich, Suisse) et RCATM (Olomouc, République Tchèque). Cette enquête fait progresser la possibilité de concevoir des polymères organiques stables avec des bandes interdites électroniques en voie de disparition avec des applications qui incluent l'optoélectronique moléculaire et la technologie de l'information quantique.

Les métaux organiques (synthétiques) ont attiré beaucoup d'attention au cours des dernières décennies du siècle dernier en raison de leurs applications futuristes envisagées et de leurs coûts abordables. Ce domaine a été dynamisé par les premières avancées des polymères polyacétyléniques, qui présentait une conductivité élevée lors du dopage et a ouvert une nouvelle voie vers l'électronique organique et le prix Nobel à leurs découvreurs. Cependant, les scientifiques ont découvert que les dopants compromettaient la stabilité des polymères, réduisant ainsi leurs applications en tant que métaux synthétiques dans des appareils réels.

D'un point de vue théorique, les premiers efforts pour comprendre les processus fondamentaux du système modèle trans-polyacétyène ont abouti au modèle Su-Shrieffer-Heeger (SSH). La théorie a révélé que la forme résonante adoptée par le polymère, qui émane de la conjugaison des électrons pi (conjugaison pi), peut altérer la classe électronique du matériel de manière inattendue.

La théorie des bandes topologiques classe les matériaux à écartement en étudiant mathématiquement leur structure de bandes dans les isolants et les isolants topologiques non triviaux. Dans le modèle SSH, une forme résonante se comporte comme un isolant normal, alors que l'autre forme résonante est un isolant topologique 1-D non trivial, c'est à dire., un matériau à espacement présentant des états de bord dans l'espace. Ainsi, un croisement de forme résonante peut changer la classe topologique d'un polymère. Mais le polyacétylène, sous n'importe laquelle de ses formes de résonance, est un matériau à brèche. Par conséquent, ce polymère ne peut augmenter sa conductivité qu'en étant dopé chimiquement ou électrochimiquement.

Ainsi, la question est de savoir si les scientifiques peuvent concevoir des métaux intrinsèques organiques 1-D. Pour répondre à cette question, les scientifiques doivent revenir aux racines de la théorie des bandes topologiques, qui stipule que la transition entre deux matériaux séparés doit passer par la fermeture de la bande interdite, c'est à dire., par un état métallique. Ainsi, si les chercheurs pouvaient concevoir une famille de matériaux chimiques et adapter la topologie de ses bandes en ajustant la structure chimique, il pourrait devenir possible d'approcher ou même de localiser le matériau au point de transition topologique.

Dans la présente étude publiée dans la revue Nature Nanotechnologie , les scientifiques ont conçu une recherche expérimentale-théorique combinée reliant les domaines de la théorie des bandes topologiques (physique de l'état solide) et de la conjugaison des électrons pi (chimie organique) afin de donner naissance à des polymères organiques quasi-métalliques.

"Pour la première fois, on peut observer en microscopie à sonde à balayage le lien entre la classe topologique et la forme résonante d'un polymère, ouvrant la voie à la conception de nouvelles classes de matériaux électroniques, y compris les métaux organiques intrinsèques et les isolants topologiques non triviaux unidimensionnels, " dit le professeur Ecija.

"Pour illustrer de tels concepts, nous nous sommes appuyés sur la puissance de la synthèse organique pour préparer des précurseurs moléculaires adaptés, et nous avons fait confiance à la chimie de surface pour conduire l'ingénierie des polymères à travers une réaction sans précédent », a déclaré le professeur Martín.

D'abord, une nouvelle famille de polymères d'acène, classés par le nombre d'unités benzène dans leur squelette (n=1, 2, 3…), est identifié pour subir une transition topologique discrète. Pour un petit n (n <5), les polymères sont en phase triviale, tandis que pour grand n (n> 5) ne sont pas triviales, identification de la frontière proche de n=5 (polymère pentacène).

The different polymers are fabricated with atomic precision on top of gold substrates implementing ultimate on-surface synthesis approaches, tuning the topology and the electronic properties of the resulting polymers at will. "According to our theoretical prediction, the pentacene polymer is located in nontrivial topological phase very close to the topological boundary with very small gap, " says Jelinek. Indeed, experimental measurements revealed their quasi-metallic behavior with 0.35 eV experimental band gap and the presence of in-gap topological edge states.

Authors generalize the concept by extending it to the polymer family of periacenes, achieving band gaps as low as 0.3 eV for bisanthene polymers, which are located close to the topological transition. En outre, the different resonant forms of the pi-system can be identified, demonstrating an ethynylene-bridged aromatic nature for the trivial polymers, whereas locating a cumulene-linked p-quinoid resonant form for the nontrivial wires. Ainsi, there is a crossover between the resonant forms, which corresponds to the topological band transition.

In summary, this work serves both as a proof of the intimate relation between resonant form and topological class, while offering a new tool to produce stable organic intrinsic metals by designing polymers at the exact topological boundary.