Molécules tricotées à la main
Dübendorf, St. Gallen und Thun, 18.01.2019 - La synthèse de molécules et de structure moléculaires se passe habituellement dans des flacons de laboratoire. Une équipe de recherche de l'Empa a maintenant réussi à assembler un petit nombre de molécules l'une après l'autre entre deux pointes en or microscopiques pour former une chaine moléculaire; du "tricoté main" en quelque sorte. Les propriétés électriques de ces molécules peuvent être mesurées en temps réel pendant leur assemblage. Les résultats de cette recherche viennent d'être publiés dans la revue Nature Communications.
La fabrication de composants électroniques de très petites dimensions suit généralement un processus descendant dans des laboratoires nommés salles blanches. À l'aide d'outils de gravure spécialisés, les scientifiques sont capables de fabriquer des structures atteignant quelques nanomètres seulement. Cependant, atteindre une précision ultime permettant de contrôler la position de chaque atome dans un dispositif électronique reste très difficile à atteindre et nécessite généralement des microscopes spéciaux tels que microscope à force atomique (AFM) ou un microscope à effet tunnel (STM). De leur côté, les chimistes, réalisent quotidiennement un tour de force impressionnant: ils sont capables de synthétiser un grand nombre de molécules qui sont toutes exactement identiques, à chaque atome près. Toutefois synthétiser une seule molécule avec une telle précision atomique et être capable de suivre ce processus d'assemblage en temps réel reste un formidable défi.
Une équipe de chercheurs de l'Empa, de l'Université de Bâle et de l'Université d'Oviedo y est maintenant parvenue. Les chercheurs ont assemblé des molécules une par une entre deux pointes en or microscopiquement petites. Les propriétés des chaines moléculaires résultantes peuvent être mesurées en temps réel pendant l'assemblage.
Micro-fabrication entre pointes d'or
Anton Vladyka, Jan Overbeck et Mickael Perrin travaillent au laboratoire "Transport at Nanoscale Interfaces" de l'Empa, dirigé par Michel Calame. Pour leurs expériences, ils ont utilisé une technique nommée jonctions à brisure mécanique contrôlée (MCBJ). Un pont en or de quelques nanomètres d'épaisseur seulement est lentement étiré dans un solvent jusqu'à ce qu'il se brise. Les molécules peuvent alors individuellement s'attacher aux extrémités du pont d'or ainsi brisé, rendant possible la mesure de leurs propriétés électriques.
Les chercheurs de l'Empa ont plongé les pointes en or dans une solution de 1,4-diisocyanobenzène (DICB), une molécule présentant de forts dipôles électriques à sesdeux extrémités. Ces molécules se lient facilement avec les atomes d'or et s'orientent perpendiculairement à la surface des électrodes. Résultat : lorsque le pont d'or est étiré puis brisé, les molécules DICB s'assemblent entre les extrémités du pont brisé pour former une chaine moléculaire, molécule après molécule, en intercalant entre chaque molécule un atome d'or.
Taux de réussite élevé
Un fait remarquable est le taux de succès élevé de formation de ces chaines moléculaires, même à température ambiante. Pour mieux tester ce processus d'assemblage, les chercheurs ont brisé et refermé des ponts d'or à maintes reprises :et constaté que dans 99 essais sur 100, des chaînes moléculaires identiques intercalant atome d'or et moléculesse sont formées. En mesurant la conductivité électrique ces jonctions moléculaires, les chercheurs ont pu suivre l'assemblage des chaînes jusqu'à trois "maillons", c'est à dire trois molécules, intercalant deux atomes d'or en tout.
Base des analyses chimiques et physiques
Avec cette nouvelle méthode, les chercheurs peuvent maintenant combiner des molécules organiques et des atomes métalliques avec une précision atomique, La possibilité de modifier directement ("in situ") les propriétés électriques des ces assemblages moléculaires en ajustant leur structure avec une précision atomique ouvre de nouvelles perspectives pour la réalisation de composants électroniques nanoscopiques. Par ailleurs, , cette approche permet de développer une connaissance approfondie des propriétés quantiques du transport électronique au niveau moléculaire et atomique. "Pour découvrir de nouvelles propriétés dans les assemblages moléculaires, nous devons d'abord être capables de construire ces structures de manière reproductible ", explique Michel Calame. "C'est exactement ce que nous avons réalisé."
Adresse pour l'envoi de questions
Prof. Dr. Michel Calame
Empa, Transport at Nanoscale Interfaces
Tél. +41 58 765 42 60
michel.calame@empa.ch
Auteur
Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche
http://www.empa.ch
