Les commutateurs atomiques rapprochent l'électronique moléculaire de la réalité
Des chercheurs mettent au point des commutateurs à base d'argent qui établissent des connexions fiables entre les molécules et les électrodes
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Des chercheurs japonais ont mis au point des commutateurs atomiques à base d'argent qui créent des connexions électriques stables entre des molécules individuelles et des électrodes, relevant ainsi un défi majeur dans le câblage de l'électronique moléculaire. Le commutateur fonctionne en formant et en brisant des filaments atomiques d'argent lorsqu'une tension est appliquée et inversée, ce qui correspond aux états "marche" et "arrêt". Cette méthode permet l'intégration évolutive de composants moléculaires, ouvrant la voie à des circuits ultra-compacts et économes en énergie construits à partir de molécules uniques.
L'interrupteur atomique fonctionne en formant et en brisant un minuscule filament d'argent à l'intérieur d'une fine pellicule d'oxyde de tantale. Lorsqu'une tension positive est appliquée, les atomes d'argent se déplacent pour créer un pont conducteur entre les deux électrodes, ce qui active l'interrupteur. L'inversion de la tension entraîne la rupture du filament, ce qui éteint l'interrupteur.
Institute of Science Tokyo
Les futurs circuits électroniques ne seront peut-être pas construits à partir de silicium, mais à partir de molécules individuelles. Les scientifiques ont déjà démontré que l'électronique moléculaire fonctionnait comme des redresseurs, des commutateurs et des unités de mémoire. Ces dispositifs devraient être plus petits et plus efficaces sur le plan énergétique que l'électronique actuelle. Cependant, un défi majeur réside dans la formation d'un contact électrique stable entre les molécules et les électrodes métalliques, ce qui est essentiel pour assembler les composants individuels en un circuit fonctionnel.
L'une des solutions à ce problème est l'utilisation d'un commutateur atomique (AS), une alternative intelligente aux commutateurs mécaniques traditionnels. Au lieu d'utiliser des pièces mobiles, le commutateur atomique repose sur des réactions chimiques qui déplacent des ions métalliques ou déclenchent des changements d'oxydoréduction pour créer et interrompre des voies conductrices. Il est donc plus simple, plus fiable et plus facile à intégrer dans les circuits moléculaires de la prochaine génération.
Afin de concrétiser l'utilisation de l'AS dans les circuits moléculaires, des chercheurs de l'Institut des sciences de Tokyo (Science Tokyo), au Japon, viennent de faire la démonstration d'une AS à base d'argent qui peut être utilisée pour connecter des molécules individuelles dans un environnement à l'état solide. L'étude, publiée en ligne dans la revue Small le 25 octobre 2025, marque une étape vers la création de jonctions moléculaires capables de relier différents composants électroniques moléculaires.
L'équipe de recherche était dirigée par les professeurs associés Satoshi Kaneko et Tomoaki Nishino, ainsi que par les étudiants diplômés Akira Aiba et Sekito Nishimuro de Science Tokyo, en collaboration avec les docteurs Tohru Tsuruoka et Kazuya Terabe de l'Institut national pour la science des matériaux et le docteur Marius Buerkle de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées.
"L'utilisation de l'AS permet un câblage moléculaire stable dans un environnement solide, ce qui permet d'appliquer une tension directement aux molécules fonctionnelles. Cette approche élimine la nécessité de manipuler mécaniquement les électrodes, ce qui simplifie la conception des dispositifs et permet la parallélisation et l'intégration, qui sont des étapes clés vers une électronique moléculaire évolutive", explique M. Kaneko.
L'AS se forme sur une fine pellicule d'oxyde de tantale (Ta 2 O 5 ). Des molécules de gaz acétylène sont introduites et une petite tension est appliquée pour former des filaments atomiques d'argent qui se connectent à ces molécules. Lorsqu'une tension positive est appliquée, les atomes d'argent se déplacent et forment un filament qui relie les électrodes, activant ainsi l'interrupteur. L'inversion de la tension rompt le filament, ce qui éteint l'interrupteur.
Lors de la rupture du filament, une molécule d'acétylène se retrouve piégée entre les atomes d'argent restants, formant une jonction moléculaire. Dans cet état, la molécule d'acétylène elle-même comble le fossé entre les électrodes et permet au courant de passer. Une nouvelle variation de tension finit par rompre cette jonction moléculaire, achevant ainsi le cycle de commutation. L'AS d'argent à base de Ta 2 O 5 a fonctionné de manière stable à de faibles tensions (environ 0,3 V) à la fois dans des conditions d'ultravide et dans un environnement d'acétylène.
L'équipe a confirmé que son interrupteur fonctionnait comme prévu, en utilisant une technique appelée spectroscopie inélastique à effet tunnel. Cette méthode détecte les minuscules vibrations des molécules lorsque l'électricité les traverse. Les molécules d'acétylène ont produit des signaux vibratoires clairs, montrant qu'elles étaient directement connectées au filament d'argent et qu'elles contribuaient à transporter le courant. En outre, la conductance du dispositif a montré des valeurs comprises entre 10 -3 - 10 -1 G 0 , typiques des jonctions à molécule unique, confirmant que la connexion électrique existait au niveau moléculaire.
Cette nouvelle technique élimine la nécessité d'ajuster physiquement les électrodes pour former des jonctions moléculaires, un processus qui a longtemps limité l'électronique moléculaire aux expériences de laboratoire. En utilisant des commutateurs atomiques, de multiples jonctions moléculaires peuvent être créées automatiquement et simultanément, ce qui ouvre la voie à une méthode de fabrication fiable et évolutive.
"Ces résultats devraient contribuer de manière significative au développement de dispositifs moléculaires économes en énergie, tels que des commutateurs et des capteurs, qui exploitent les propriétés quantiques des molécules", déclare M. Kaneko.
Cette avancée nous rapproche des dispositifs ultra-compacts et économes en énergie, où des circuits électroniques entiers sont construits à partir de molécules uniques.
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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