Crédit :M. Eugenio Vázquez (CiQUS).
Une étude publiée dans Communication Nature impliquant des chercheurs de l'Institut d'études avancées en nanosciences de Madrid (IMDEA) et de l'Université de Séville, a mesuré pour la première fois la conductivité électrique d'un seul nanotube de carbone contenant des molécules réticulées par spin.
Alors que les appareils électroniques continuent de rétrécir pour répondre aux demandes du marché, les scientifiques travaillent à développer les composants minuscules qui les font fonctionner. Il existe une demande persistante pour des processus rapides et efficaces, et les dispositifs à logique de spin (Spintronique) pourraient être la solution pour façonner l'avenir de l'informatique. Ici, les molécules magnétiques pourraient ajouter une nouvelle tournure à l'électronique conventionnelle. En particulier, les molécules de spin-crossover (SCO) se conforment à une famille d'unités fonctionnelles à zéro dimension (0D) qui affichent un commutateur de spin radical déclenché par un changement électro-structural activable par un stimulus externe tel que la lumière, pression ou température. Le commutateur de spin confère aux molécules SCO d'excellentes capacités et fonctionnalités pour la mise en œuvre en nano-électronique. Cependant, leur caractère isolant empêche jusqu'à présent d'exploiter pleinement ces molécules. Plusieurs groupes ont intégré des molécules SCO dans des matrices de matériau conducteur, mais les résultats ne sont pas entièrement compatibles avec les exigences des dispositifs nanométriques.
Un système révolutionnaire pour incorporer efficacement des molécules SCO à des matériaux conducteurs consiste à les introduire à l'intérieur de nanotubes de carbone conducteurs. Les nanotubes de carbone sont des matériaux unidimensionnels (1D), fort, léger et, le plus important, fils miniatures hautement conducteurs électriquement, généralement de 1 à 5 nanomètres de diamètre, mais jusqu'à des centimètres de longueur. Pour la première fois, un groupe de chercheurs de l'IMDEA Nanociencia a encapsulé des molécules SCO à base de Fe à l'intérieur de nanotubes de carbone. Les nanotubes de carbone à paroi unique agissent comme des squelettes conducteurs qui transportent, protéger et détecter l'état de spin SCO des molécules, et pallie leurs inconvénients isolants.
Molécules SCO à base de fer encapsulées dans un seul nanotube de carbone. Crédit :Nature Communications
Les chercheurs, dirigé par le Prof. Emilio M. Pérez, Dr José Sanchez Costa et Dr Enrique Burzurí, ont étudié le transport des électrons à travers des nanotubes de carbone individuels intégrés dans des transistors nanométriques par diélectrophorèse. Ils ont découvert un changement dans la conductance électrique du nanotube qui est modifié par l'état de spin des molécules SCO encapsulées. La transition entre les deux états conducteurs est déclenchée par un interrupteur thermique qui s'avère non symétrique :le point de température de transition n'est pas le même en descendant qu'en montant le thermomètre. Ce fait ouvre une hystérésis non présente dans les échantillons cristallins, et de nombreuses applications potentielles intéressantes pour le système hybride se présentent :« Ces systèmes sont comme des éléments de mini-mémoire à l'échelle nanométrique, car ils présentent un cycle d'hystérésis avec variation de température. Ils pourraient également servir de filtre de spin (une demande pour des dispositifs spintroniques) car le nanotube "sent" si la molécule a un spin ou non », commente le Dr Burzurí.
Les résultats expérimentaux sont étayés par des calculs théoriques effectués par des chercheurs de l'Universidad de Sevilla. Lors de la commutation, les orbitales des molécules SCO changent et donc leur hybridation avec le nanotube de carbone, cela modifie à son tour la conductivité électrique de ces derniers. Les molécules SCO dans leur état de spin faible ont une interaction plus forte avec les nanotubes; il leur est plus difficile de changer leur état de spin et cela se traduit par un "saut" dans la conductivité des nanotubes à une certaine température, en fonction de l'état de spin initial.
Cette première encapsulation de molécules SCO à l'intérieur de nanotubes de carbone monoparoi est un résultat de recherche fondamentale qui permet de comprendre le comportement de ces molécules lorsqu'elles sont confinées dans de très petits espaces, et fournit une épine dorsale pour leur lecture et leur positionnement dans des nanodispositifs. Les auteurs espèrent qu'un tel hybride mixte (0D-1D) pourra tirer parti des meilleures propriétés de leurs matériaux constitutifs, exploiter l'état de spin comme un autre degré de liberté. Ce fil et ce commutateur minuscules peuvent être produits à une échelle préparative et peuvent représenter une étape pertinente dans le développement de systèmes magnétiques à l'échelle nanométrique.
