12.07.2022 - Columbia University

Des chercheurs construisent le nanofil moléculaire le plus long et le plus conducteur qui soit

Le fil à molécule unique de 2,6 nm de long possède des propriétés quasi-métalliques et présente une augmentation inhabituelle de la conductance à mesure que la longueur du fil augmente

Alors que nos appareils deviennent de plus en plus petits, l'utilisation de molécules comme composants principaux des circuits électroniques devient de plus en plus critique. Au cours des dix dernières années, les chercheurs ont essayé d'utiliser des molécules uniques comme fils conducteurs en raison de leur petite taille, de leurs caractéristiques électroniques distinctes et de leur grande capacité d'adaptation. Mais dans la plupart des fils moléculaires, plus la longueur du fil augmente, plus 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 conduise bien l'électricité.

Des chercheurs de l'université Columbia ont annoncé aujourd'hui qu'ils avaient fabriqué 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 dispositifs électroniques de devenir encore plus petits. L'étude est publiée dans Nature Chemistry.

Conceptions de fils moléculaires

L'équipe de chercheurs de Columbia Engineering et du département de chimie de Columbia, ainsi que des théoriciens allemands et des chimistes de synthèse chinois, ont exploré des modèles de fils moléculaires qui supporteraient des électrons non appariés à chaque extrémité, car ces fils formeraient des analogues unidimensionnels des isolants topologiques (IT) qui sont hautement conducteurs sur leurs bords mais isolants au centre.

Bien que le plus simple des isolants topologiques unidimensionnels ne soit constitué que d'atomes de carbone dont les carbones terminaux supportent les états radicaux, c'est-à-dire les électrons non appariés, ces molécules sont généralement très instables. Le carbone n'aime pas avoir des électrons non appariés. Remplacer les carbones terminaux, où se trouvent les radicaux, par de l'azote augmente la stabilité des molécules. "Cela rend les TI 1D constitués de chaînes de carbone mais terminés par de l'azote beaucoup plus stables et nous pouvons travailler avec eux à température ambiante dans des conditions ambiantes", a déclaré la codirectrice de l'équipe, Latha Venkataraman, titulaire de la chaire 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 décroissance exponentielle, une formule pour le processus de diminution d'une quantité à un taux proportionnel à sa valeur actuelle. En utilisant les deux états d'arête des radicaux, les chercheurs ont créé un chemin hautement conducteur à travers les molécules et ont obtenu une "décroissance de conductance inversée", c'est-à-dire un système dont la conductance augmente avec 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 métal-métal en 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 a présenté les propriétés d'un TI unidimensionnel par oxydation chimique. Ils ont effectué des mesures de conductance de jonctions monomoléculaires où les molécules étaient connectées à la fois aux électrodes de source et de drain. Grâce à ces mesures, l'équipe a montré que les molécules les plus longues avaient une conductance plus élevée, ce qui fonctionnait jusqu'à ce que le fil soit plus long que 2,5 nanomètres, soit le diamètre d'un brin d'ADN humain.

Poser les bases d'autres avancées technologiques en électronique moléculaire

"Le laboratoire de Venkataraman cherche toujours à comprendre l'interaction entre la physique, la chimie et l'ingénierie des dispositifs électroniques à molécule unique", ajoute Liang Li, doctorant dans le laboratoire et coauteur principal 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 enthousiastes à propos de nos résultats, car ils éclairent non seulement la physique fondamentale, mais aussi les applications potentielles à l'avenir."

Le groupe développe actuellement de nouveaux modèles pour construire des fils moléculaires encore plus longs et toujours très conducteurs.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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