Les ingénieurs de Columbia développent des dispositifs moléculaires contrôlés par la lumière

Dans une étude récente publiée dans Communications naturelles, des chercheurs de Columbia Engineering ont annoncé la création de dispositifs hautement conducteurs et réglables à molécule unique dans lesquels la molécule est attachée à des conducteurs en utilisant des contacts directs métal-métal. Leur nouvelle approche utilise la lumière pour contrôler les propriétés électroniques des dispositifs et ouvre la porte à une utilisation plus large de contacts métal-métal qui pourraient faciliter le transport des électrons à travers le dispositif à molécule unique.

Le défi

À mesure que les appareils continuent de rétrécir, leurs composants électroniques doivent également être miniaturisés. Les dispositifs à molécule unique, qui utilisent des molécules organiques comme canaux conducteurs, ont le potentiel de résoudre les défis de miniaturisation et de fonctionnalisation auxquels sont confrontés les systèmes traditionnels. semi-conducteurs. De tels dispositifs offrent la possibilité intéressante d’être contrôlés de l’extérieur en utilisant la lumière, mais jusqu’à présent, les chercheurs n’ont pas pu le démontrer.

« Avec ce travail, nous avons ouvert une nouvelle dimension dans l’électronique moléculaire, où la lumière peut être utilisée pour contrôler la manière dont une molécule se lie dans l’espace entre deux électrodes métalliques », a déclaré Latha Venkataraman, pionnier de l’électronique moléculaire et professeur Lawrence Gussman de Physique appliquée et professeur de chimie à Columbia Engineering. « C’est comme appuyer sur un interrupteur au à l’échelle nanométriqueouvrant toutes sortes de possibilités pour concevoir des composants électroniques plus intelligents et plus efficaces.

L’approche

Le groupe de Venkataraman étudie les propriétés fondamentales des dispositifs à molécule unique depuis près de deux décennies, explorant l’interaction de la physique, de la chimie et de l’ingénierie à l’échelle nanométrique. Son objectif sous-jacent est la construction de circuits à molécule unique, une molécule attachée à deux électrodes, avec des fonctionnalités variées, où la structure du circuit est définie avec une précision atomique.

Son groupe, ainsi que ceux qui créent des dispositifs fonctionnels avec graphène, un matériau bidimensionnel à base de carbone, savent que l’établissement de bons contacts électriques entre les électrodes métalliques et les systèmes carbonés constitue un défi majeur. Une solution consisterait à utiliser des molécules organométalliques et à concevoir des méthodes pour relier les conducteurs électriques aux atomes métalliques de la molécule. Pour atteindre cet objectif, ils ont décidé d’explorer l’utilisation de molécules organométalliques de ferrocène contenant du fer, qui sont également considérées comme de minuscules éléments constitutifs du monde de la nanotechnologie. Tout comme les pièces LEGO peuvent être empilées pour créer des structures complexes, les molécules de ferrocène peuvent être utilisées comme éléments de base pour construire des appareils électroniques ultra-petits. L’équipe a utilisé une molécule terminée par un groupe ferrocène comprenant deux cycles cyclopentadiényle à base de carbone qui prennent en sandwich un fer. atome. Ils ont ensuite utilisé la lumière pour exploiter les propriétés électrochimiques des molécules à base de ferrocène afin de former une liaison directe entre le centre du fer ferrocène et l’électrode en or (Au) lorsque la molécule était dans un état oxydé (c’est-à-dire lorsque l’atome de fer avait perdu un électron). ). Dans cet état, ils ont découvert que le ferrocène pouvait se lier aux électrodes en or utilisées pour connecter la molécule aux circuits externes. Techniquement, l’oxydation du ferrocène a permis la liaison d’un Au0 à un centre Fe3+.

« En exploitant l’oxydation induite par la lumière, nous avons trouvé un moyen de manipuler ces minuscules éléments constitutifs à température ambiante, ouvrant ainsi les portes d’un avenir où la lumière pourra être utilisée pour contrôler le comportement des appareils électroniques au niveau moléculaire », a déclaré le responsable de l’étude. auteur Woojung Lee, titulaire d’un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Venkararaman.

Impact potentiel

La nouvelle approche de Venkataraman permettra à son équipe d’étendre les types de produits chimiques de terminaisons moléculaires (contact) qu’ils peuvent utiliser pour créer des dispositifs à molécule unique. Cette étude montre également la possibilité d’activer et de désactiver ce contact en utilisant la lumière pour modifier l’état d’oxydation du ferrocène, démontrant ainsi un dispositif monomoléculaire à base de ferrocène commutable par la lumière. Les dispositifs contrôlés par la lumière pourraient ouvrir la voie au développement de capteurs et de commutateurs répondant à des longueurs d’onde lumineuses spécifiques, offrant ainsi des composants plus polyvalents et plus efficaces pour un large éventail de technologies.

L’équipe

Ce travail était un effort collaboratif impliquant synthèse, mesures et calculs. La synthèse a été réalisée principalement à Columbia par Michael Inkpen, post-doctorant dans le groupe Venkataraman et maintenant professeur adjoint à l’Université de Californie du Sud. Toutes les mesures ont été effectuées par Woojung Lee, un étudiant diplômé du groupe Venkataraman. Les calculs ont été effectués à la fois par des étudiants diplômés du groupe Venkataraman et par des collaborateurs de l’Université de Ratisbonne en Allemagne.

Et après

Les chercheurs explorent actuellement les applications pratiques des dispositifs monomoléculaires contrôlés par la lumière. Cela pourrait inclure l’optimisation des performances des appareils, l’étude de leur comportement dans différentes conditions environnementales et le perfectionnement des fonctionnalités supplémentaires permises par l’interface métal-métal.