Contrôler l’électronique moléculaire avec des molécules rigides en forme d’échelle

Les appareils électroniques devenant de plus en plus petits, les limitations de taille physique commencent à perturber la tendance à doubler la densité des transistors sur les puces électroniques à base de silicium environ tous les deux ans, selon la loi de Moore. L’électronique moléculaire, qui consiste à utiliser des molécules individuelles comme éléments de base pour les composants électroniques, offre une voie potentielle pour la miniaturisation continue des appareils électroniques à petite échelle. Les appareils qui utilisent l’électronique moléculaire nécessitent un contrôle précis du flux de courant électrique.

Cependant, la nature dynamique de ces composants moléculaires uniques affecte les performances du dispositif et a un impact sur la reproductibilité.

Des chercheurs de l’Université d’Illinois à Urbana-Champaign ont présenté une stratégie unique pour contrôler la conductance moléculaire en utilisant des molécules à squelette rigide, telles que les molécules de type échelle, connues pour leur persistance de forme. De plus, ils ont démontré une méthode simple « tout-en-un » pour synthétiser de telles molécules. Les principes ont ensuite été appliqués à la synthèse d’une molécule en forme de papillon, montrant la généralité de la stratégie pour contrôler la conductance moléculaire.

Cette nouvelle recherche, dirigée par Charles Schroeder, professeur James Economy de science et d’ingénierie des matériaux et professeur d’ingénierie chimique et biomoléculaire, avec le postdoctorant Xiaolin Liu et l’étudiant diplômé Hao Yang, apparaît dans la revue Chimie de la nature.

« Dans le domaine de l’électronique moléculaire, il faut tenir compte de la flexibilité et du mouvement des molécules et de la façon dont cela affecte les propriétés fonctionnelles », explique Schroeder. « Et il s’avère que cela joue un rôle important dans les propriétés électroniques des molécules. Pour surmonter ce défi et obtenir une conductivité constante quelle que soit la conformation, notre solution a été de préparer des molécules avec des squelettes rigides. »

L’un des principaux défis de l’électronique moléculaire est que de nombreuses molécules organiques sont flexibles et présentent de multiples conformations moléculaires (la disposition des atomes due à la rotation des liaisons), chaque conformation entraînant potentiellement une conductance électrique différente.

Liu explique : « Pour une molécule à conformations multiples, la variation de conductance est très importante, parfois 1 000 fois différente. Nous avons décidé d’utiliser des molécules de type échelle, qui ont une forme persistante, et elles ont montré un ensemble stable de conformations rigides afin que nous puissions obtenir une conductance de jonction moléculaire stable et robuste. »

Les molécules de type échelle sont une classe de molécules qui contiennent une séquence ininterrompue d’anneaux chimiques avec au moins deux atomes partagés entre les anneaux, ce qui « verrouille » la molécule dans une certaine conformation. Une telle structure assure la persistance de la forme et limite le mouvement de rotation de la molécule, ce qui minimise également la variation de conductance.

Une conductance constante est particulièrement importante lorsque l’objectif ultime de l’électronique moléculaire est d’être utilisée dans un dispositif fonctionnel. Cela signifie que des milliards de composants doivent avoir les mêmes propriétés électroniques.

« La variation de la conductance est l’un des problèmes qui ont empêché la commercialisation réussie des dispositifs électroniques moléculaires. Il est très difficile de fabriquer le grand nombre de composants identiques nécessaires et de contrôler la conductance moléculaire dans les jonctions de molécules individuelles », explique Yang. « Si nous parvenons à le faire avec précision, cela pourrait contribuer à accélérer la commercialisation et à rendre les dispositifs électroniques très petits. »

Pour contrôler la conductance moléculaire des molécules à forme persistante, l’équipe a utilisé une stratégie de synthèse par échelle unique en un seul pot qui a produit des molécules d’échelle chargées et chimiquement diverses. Les méthodes de synthèse traditionnelles utilisent des matériaux de départ coûteux et sont généralement des réactions à deux composants, ce qui limite la diversité des produits. En utilisant la stratégie multicomposants en un seul pot, également appelée synthèse modulaire, les matériaux de départ sont beaucoup plus simples et disponibles dans le commerce.

« Nous pouvons utiliser de nombreuses combinaisons différentes de ces matières premières et créer une grande diversité de molécules de produits adaptées à l’électronique moléculaire », explique Liu.

Liu et Yang ont ensuite appliqué les règles qu’ils avaient apprises à partir des molécules de type échelle et ont démontré la large applicabilité de la persistance de forme en concevant, synthétisant et caractérisant les propriétés électroniques d’une molécule de type papillon. Ces molécules ont deux « ailes » d’anneaux chimiques et, comme les molécules de type échelle, les molécules de type papillon présentent une structure de squelette verrouillée et une rotation contrainte. Cela ouvrira la voie à la conception d’autres matériaux fonctionnels et, à terme, à des dispositifs plus fiables et plus efficaces.