À mesure que nos appareils deviennent de plus en plus petits, l'utilisation de molécules comme composants principaux dans les circuits électroniques devient de plus en plus critique. Au cours des 10 dernières années, les chercheurs ont essayé d'utiliser des molécules uniques comme fils conducteurs en raison de leur petite échelle, de leurs caractéristiques électroniques distinctes et de leur haute accordabilité. Mais dans la plupart des fils moléculaires, à mesure que la longueur du fil augmente, l'efficacité avec laquelle les électrons sont transmis à travers le fil diminue de façon exponentielle. Cette limitation a rendu particulièrement difficile la construction d'un long fil moléculaire - beaucoup plus long qu'un nanomètre - qui conduit bien l'électricité.

Des chercheurs de Columbia ont annoncé aujourd'hui qu'ils avaient construit un nanofil de 2,6 nanomètres de long, qui présente une augmentation inhabituelle de la conductance à mesure que la longueur du fil augmente et qui possède des propriétés quasi métalliques. Son excellente conductivité est très prometteuse pour le domaine de l'électronique moléculaire, permettant aux appareils électroniques de devenir encore plus petits. L'étude est publiée aujourd'hui dans Nature Chemistry .

Conceptions de fils moléculaires

L'équipe de chercheurs de Columbia Engineering et du département de chimie de Columbia, en collaboration avec des théoriciens allemands et des chimistes synthétiques en Chine, a exploré des conceptions de fils moléculaires qui supporteraient des électrons non appariés à chaque extrémité, car ces fils formeraient des analogues unidimensionnels aux isolants topologiques ( TI) qui sont très conducteurs par leurs bords mais isolants au centre.

Alors que le TI 1D le plus simple est composé uniquement d'atomes de carbone où les carbones terminaux supportent les états radicaux - électrons non appariés, ces molécules sont généralement très instables. Le carbone n'aime pas avoir des électrons non appariés. Le remplacement des carbones terminaux, où se trouvent les radicaux, par de l'azote augmente la stabilité des molécules. "Cela rend les TI 1D fabriqués avec des chaînes carbonées mais terminés avec de l'azote beaucoup plus stables et nous pouvons travailler avec ceux-ci à température ambiante dans des conditions ambiantes", a déclaré le co-chef de l'équipe Latha Venkataraman, professeur Lawrence Gussman de physique appliquée et professeur de chimie.

Briser la règle de la décroissance exponentielle

Grâce à une combinaison de conception chimique et d'expériences, le groupe a créé une série de TI unidimensionnels et a réussi à briser la règle de la décroissance exponentielle, une formule pour le processus d'une quantité diminuant à un taux proportionnel à sa valeur actuelle. En utilisant les deux états de bord radicalaire, les chercheurs ont généré une voie hautement conductrice à travers les molécules et ont obtenu une "dégradation de conductance inversée", c'est-à-dire un système qui montre une conductance croissante avec l'augmentation de la longueur du fil.

"Ce qui est vraiment excitant, c'est que notre fil avait une conductance à la même échelle que celle d'un contact ponctuel métal-métal or, ce qui suggère que la molécule elle-même présente des propriétés quasi métalliques", a déclaré Venkataraman. "Ce travail démontre que les molécules organiques peuvent se comporter comme des métaux au niveau de la molécule unique contrairement à ce qui avait été fait dans le passé où elles étaient principalement faiblement conductrices."

Les chercheurs ont conçu et synthétisé une série moléculaire de bis(triarylamines), qui présentait les propriétés d'un TI unidimensionnel par oxydation chimique. Ils ont effectué des mesures de conductance de jonctions à une seule molécule où les molécules étaient connectées à la fois aux électrodes de source et de drain. Grâce aux mesures, l'équipe a montré que les molécules plus longues avaient une conductance plus élevée, qui fonctionnait jusqu'à ce que le fil dépasse 2,5 nanomètres, le diamètre d'un brin d'ADN humain.

Jeter les bases de nouvelles avancées technologiques dans le domaine de l'électronique moléculaire

"Le laboratoire Venkataraman cherche toujours à comprendre l'interaction de la physique, de la chimie et de l'ingénierie des dispositifs électroniques à molécule unique", a ajouté Liang Li, titulaire d'un doctorat. étudiant au laboratoire et co-premier auteur de l'article. "Ainsi, la création de ces fils particuliers jettera les bases d'avancées scientifiques majeures dans la compréhension du transport à travers ces nouveaux systèmes. Nous sommes très enthousiasmés par nos découvertes car elles éclairent non seulement la physique fondamentale, mais également les applications potentielles à l'avenir."

Le groupe développe actuellement de nouvelles conceptions pour construire des fils moléculaires encore plus longs et toujours hautement conducteurs. + Explorer plus loin

Nouveaux fils moléculaires pour appareils électroniques à molécule unique