Des chercheurs d'IBM mesurent les niveaux d'énergie de molécules individuelles sur couches isolantes par microscopie à force atomique

Dans une percée publiée aujourd'hui dans Nature Nanotechnology, des scientifiques d'IBM ont, pour la première fois, quantifié les niveaux d'énergie d'une unique molécule placée sur une surface isolante. Cette étape nous rapproche de la réalisation de dispositifs électroniques mono-moléculaires pratiques.

Contexte

Depuis les années 1980, le microscope à force atomique (AFM) a permis aux scientifiques de détecter des forces de l'ordre du piconewton entre une pointe acérée et un échantillon. En 2009, IBM et ses collaborateurs ont démontré que l'AFM sans contact pouvait déterminer l'état de charge d'atomes individuels sur une surface. S'appuyant sur ce travail, l'étude actuelle étend la technique aux molécules uniques sur couches isolantes, relevant un défi de longue date dans le domaine.

Méthodologie

L'équipe a fait croître des multicouches ultraminces de chlorure de sodium (NaCl) — un sel courant — sur un substrat métallique. Cette architecture isole la molécule du métal conducteur, permettant à son état de charge de rester stable. En utilisant la pointe de l'AFM, les chercheurs ont appliqué une tension finement ajustée tout en enregistrant les forces minuscules exercées lors du tunnelage d'électrons uniques entre la pointe et la molécule.

En mesurant le temps nécessaire pour qu'un électron saute sur ou hors de la molécule dans les deux sens, les scientifiques ont extrait l'énergie requise pour chaque transition d'état de charge. L'énergie de réorganisation résultante — la quantité d'énergie que le système doit dépenser pour accommoder un changement de charge — a été mesurée pour la première fois sur une molécule unique dans cette configuration.

Résultats clés

L'étude s'est concentrée sur une unique molécule de naphthalocyanine (NPc). La sensibilité de force de l'AFM a atteint le régime du zeptoampère (10^–21 A), permettant la détection d'un électron unique toutes les quelques secondes. Cette sensibilité sans précédent a permis à l'équipe de déterminer les niveaux d'énergie pour les processus d'addition et de retrait d'électrons, une capacité qui manquait auparavant dans les études mono-moléculaires.

« La capacité de mesurer les niveaux d'énergie dans les deux directions manquait auparavant », a déclaré le physicien d'IBM Leo Gross. « Notre méthode AFM nous permet maintenant de cartographier le paysage complet des états de charge d'une molécule sur un isolant.

« Le changement de positions atomiques induit par la charge modifie significativement les niveaux d'énergie, potentiellement en ajustant les taux de transfert d'électrons de plusieurs ordres de grandeur », a ajouté Shadi Fatayer, premier auteur de l'étude.

Implications

Ces résultats ont de vastes implications pour la conception de composants électroniques à l'échelle nanométrique, notamment la caractérisation des défauts dans les puces semi-conductrices, les dispositifs photovoltaïques et les semi-conducteurs organiques. En comprenant comment les molécules individuelles interagissent avec des environnements isolants, les ingénieurs peuvent mieux prédire et contrôler le transport de charge à l'échelle ultime de la fabrication de dispositifs.

Reorganization energy upon charging a single molecule on an insulator measured by atomic force microscopy, Shadi Fatayer, Bruno Schuler, Wolfram Steurer, Ivan Scivetti, Jascha Repp, Leo Gross, Mats Persson, and Gerhard Meyer, DOI: 10.1038/s41565-018-0087-1