La structure d'une jonction moléculaire avec interaction non covalente joue un rôle clé dans le transport des électrons, révèle une étude récente menée par des chercheurs de Tokyo Tech. Grâce à des mesures simultanées de diffusion Raman améliorée en surface et de courant-tension, ils ont découvert qu'une seule jonction dimère d'une molécule de naphtalènethiol présente trois liaisons différentes, à savoir les interactions intermoléculaires π-π et les interactions molécule-électrode traversant π et travers l'espace.

L'interaction π – π est un type d'interaction non covalente qui se produit lorsque les nuages ​​d'électrons dans les orbitales π des anneaux aromatiques ou des systèmes moléculaires π-conjugués se chevauchent. Cette interaction permet un mouvement efficace des électrons entre les molécules, offrant la possibilité de concevoir des matériaux dotés de propriétés électroniques uniques.

La structure des jonctions formées par ces molécules joue un rôle déterminant dans le transport des électrons. Cependant, le manque d'informations structurelles sur ces jonctions a rendu difficile l'établissement d'une relation claire entre la structure et les propriétés de transport des électrons.

Pour combler ce manque de connaissances, un groupe de chercheurs japonais, dirigé par le professeur adjoint Satoshi Kaneko et le professeur agrégé Tomoaki Nishino de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), a récemment fabriqué une jonction dimère et monomère unique de molécule de naphtalènethiol (NT) et ont mené un examen détaillé de leur structure et de leurs propriétés de transport d'électrons à l'aide de mesures optiques et électriques combinées. Leur étude a été publiée récemment dans le Journal of the American Chemical Society. .

Les chercheurs ont fabriqué la jonction en déposant d'abord une électrode en or sur une plaque de bronze phosphoreux recouverte d'une couche de polyimide. Ensuite, ils ont éliminé sélectivement le matériau polyimide situé sous la région centrale de l’électrode en or, formant ainsi une structure autonome. Enfin, ils ont ajouté goutte à goutte une solution d'éthanol contenant du NT sur le substrat, entraînant la formation d'une seule couche de molécules de NT reliant les électrodes en or.

Après avoir fabriqué la jonction, les chercheurs ont ensuite effectué simultanément des mesures in situ de diffusion Raman améliorée en surface (SERS) et de courant-tension (I – V) en employant la technique de rupture de jonction mécaniquement contrôlable. "Cela a été suivie d'une analyse de corrélation des valeurs mesurées d'énergie vibratoire et de conductance électrique, permettant l'identification des interactions intermoléculaires et molécule-électrode et des propriétés de transport dans la jonction NT", explique le Dr Kaneko.

Les mesures courant-tension ont révélé des états distincts de haute conductivité et de faible conductivité. Alors qu'un état de haute conductance provient d'une jonction NT-monomère, où la molécule interagit directement avec des électrodes d'or via une liaison π directe, l'état de faible conductance est apparu en raison d'un dimère NT formé par une interaction intermoléculaire π-π.

Cependant, la prise en compte de l’énergie vibratoire parallèlement à la conductance a confirmé trois structures distinctes à la jonction, correspondant respectivement à un état de haute conductance et à deux états de faible conductance. Lorsque l’anneau naphtalène – dans les configurations dimère et monomère – interagit directement avec les électrodes en or via un couplage π, des jonctions hautement conductrices se forment. À l'inverse, les faibles interactions entre l'anneau naphtalène et l'électrode en or via le couplage spatial ont abouti à des jonctions faiblement conductrices.

"L'application simultanée des techniques SERS et IV pourrait discriminer les diverses interactions non covalentes dans la jonction moléculaire NT, mettant ainsi en lumière ses propriétés de transport d'électrons. En outre, le caractère non covalent a également été révélé par les spectres de densité de puissance", explique le Dr Nishino.

Les présents résultats fournissent ainsi des informations importantes sur les interactions π – π qui pourraient ouvrir la voie à l'utilisation de molécules aromatiques dans la conception de futurs appareils et technologies électroniques.

Plus d'informations : Kanji Homma et al, Liaison intermoléculaire et électrode-molécule dans une jonction dimère unique de naphtalènethiol, révélée par la diffusion Raman améliorée en surface combinée à des mesures de transport, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI : 10.1021/jacs.3c02050

Informations sur le journal : Journal de l'American Chemical Society

Fourni par l'Institut de technologie de Tokyo