Les scientifiques IBM mesurent les niveaux d'énergie de molécules uniques sur des isolants

Shadi Fatayer , pré-doctorant chez IBM Research et premier auteur de l'article

Notre compréhension de l'électronique à molécule unique est devenue plus claire et la réponse impliquait l'utilisation d'un article ménager courant :le sel.

S'appuyant sur un article précédent en 2009, où les scientifiques et collaborateurs d'IBM ont démontré la capacité de mesurer l'état de charge d'atomes individuels à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM) sans contact, ils sont maintenant allés plus loin, en mesurant les niveaux d'énergie de molécules individuelles sur isolants, pour la première fois. La recherche est publiée aujourd'hui dans la revue à comité de lecture Nature Nanotechnology .

Inventé au milieu des années 1980, le microscope à force atomique mesure de minuscules forces entre la pointe et l'échantillon, comme une molécule sur un support. La pointe est un instrument polyvalent et précis, qui peut imager des molécules à une résolution sans précédent et même déclencher des réactions moléculaires jamais vues auparavant.

Mise à l'échelle de l'électronique

Densité fonctionnelle analyse théorique de la naphtalocyanine sur NaCl (5 ML). Graphique de contour 2D de la différence de densité de charge calculée entre NPc+ et NPc0 intégrée vers l'extérieur du plan moléculaire geo+ geo+ à la région du vide. (Crédit :Nature Nanotechnologie)

Si vous avez déjà ouvert tout type d'appareil électronique, comme un PC ou même un réveil numérique, vous auriez découvert ce qu'on appelle une carte de circuit imprimé (PCB). Ces panneaux généralement verts ressemblent à des cartes montrant tous les composants électroniques de l'appareil, y compris ce que l'on appelle des pistes conductrices. Ces pistes transportent du courant électrique, comme les voies ferrées, sur l'ensemble du tableau afin que l'appareil puisse fonctionner. Les cartes comprennent également des couches isolantes qui protègent les pistes des fuites de courant. Sans ces couches, même les petits appareils électroniques auraient besoin de plus d'énergie pour fonctionner.

Lors de l'évaluation des blocs de construction de base de ce même PC ou de cette même horloge, mais en électronique moléculaire, nous verrions une configuration similaire avec des molécules uniques comme des pistes conductrices et des électrons uniques transférés à partir des molécules. Alors que la couche isolante est utile sur le PCB, le substrat isolant sous-jacent similaire, à cette échelle, a d'autres effets qui doivent être pris en compte.

« En chargeant une molécule sur un isolant, les atomes de la molécule se détendront pour s'adapter à cette charge supplémentaire et, tout aussi important, les noyaux de l'isolant le feront aussi. Comme la molécule est au-dessus d'un isolant, la caractérisation électronique d'un tel système est très difficile. a déclaré Shadi Fatayer, pré-doctorant chez IBM Research et premier auteur de l'article.

Il ajoute :« Ce changement de position des atomes a un impact sur leurs niveaux d'énergie, ce qui a des effets drastiques en termes de transfert d'un seul électron entre les molécules. Le taux de transfert des électrons pourrait être réglé pour varier de plusieurs ordres de grandeur. »

Cliquez pour l'animation

L'équipe de scientifiques d'IBM, de l'Université de Liverpool, de l'Université Chalmers et de l'Université de Ratisbonne a essayé une approche différente pour résoudre ce problème.

Ils ont d'abord fait pousser des multicouches de NaCl, également connu sous le nom de chlorure de sodium ou sel, servant de matériau isolant, sur un substrat métallique. Un tel système permet aux molécules absorbées par le dessus d'avoir leurs états de charge stables et découplés de la surface métallique.

Ensuite, l'équipe a réfléchi :« Comment mesure-t-on les énergies de réorganisation ? Expérimentalement, cela se fait avec des molécules en solution, avec des molécules au-dessus d'un métal, mais jusqu'à présent, il n'y avait pas de technique permettant d'étudier des molécules individuelles au-dessus d'un isolant.

Leur approche unique consiste à utiliser l'AFM et des électrons uniques. Des électrons simples sont utilisés pour sonder les transitions d'état de charge de deux états de charge définis dans les deux sens. Dans l'expérience, les scientifiques testent leur méthode sur une seule molécule de naphtalocyanine.

Chercheurs IBM Shadi Fatayer, Leo Gross et Gerhard Meyer dans leur labo.

Comme publié précédemment, les auteurs savaient qu'ils pouvaient utiliser de manière fiable l'AFM pour mesurer différents états de charge au-dessus d'un isolant ultra-mince avec une sensibilité à un seul électron. Ils ont également récemment démontré l'imagerie de molécules chargées de manière stable ainsi que le transfert d'électrons uniques entre les molécules au-dessus d'un isolant plus épais. Cependant, la capacité de mesurer les énergies de réorganisation nécessite de mesurer les niveaux d'énergie correspondant à des transitions d'état de charge particulières.

« Avant ce travail, nous savions mesurer le courant électrique à travers la molécule. Cependant, cela n'a fonctionné que dans une direction pour une orbitale donnée. Lorsque nous pouvions mesurer l'énergie pour attacher un électron à une certaine orbitale, nous ne pouvions jamais mesurer l'énergie pour retirer un électron de cette orbitale et vice versa. La capacité de mesurer dans les deux sens – cela manquait », a déclaré Leo Gross, physicien d'IBM. « Avec notre méthode AFM, nous mesurons les niveaux d'énergie dans les deux directions de changement d'état de charge sur un substrat en couche mince. Mais c'est un travail incroyablement exigeant qui traite des signaux très faibles, ce qui signifie que de nombreuses mesures minutieuses sont nécessaires pour effectuer une analyse statistique appropriée. »

Il ajoute :« En utilisant cette nouvelle méthodologie, nous utilisons la pointe et la force exercée sur la pointe pour compter les électrons isolés. Nous ajustons la hauteur et la tension de la pointe, puis nous comptons combien de temps il faut à un électron pour aller vers (ou depuis) ​​la pointe et à partir de là, vous pouvez obtenir les niveaux d'énergie. »

« Notre plus grand défi était dû au fait que la pointe était plus éloignée que la normale pour mesurer de manière appropriée les événements de tunneling », ajoute Fatayer. « Les forces très faibles que nous avons mesurées sont associées aux courants dans l'échelle zepto-ampère - c'est 10 à moins 21 (10 ^{− 21} ). La plupart des physiciens n'ont jamais besoin d'utiliser ce préfixe, mais nous le faisons en mesurant un électron toutes les quelques secondes. Nous utilisons littéralement l'AFM comme un courantomètre à un électron. »

Bien qu'il s'agisse d'une recherche très fondamentale, les applications s'étendent des dispositifs électroniques, par exemple à la caractérisation des défauts dans les puces, au photovoltaïque et aux semi-conducteurs organiques.

---

Énergie de réorganisation lors de la charge d'une seule molécule sur un isolant mesurée par microscopie à force atomique,  Shadi Fatayer, Bruno Schuler, Wolfram Steurer, Ivan Scivetti, Jascha Repp, Leo Gross, Mats Persson et Gerhard Meyer, DOI : 10.1038/s41565-018-0087-1