Comment un nanoruban de graphène conduit-il le courant ?

La conduction des électrons à l’échelle d’une molécule unique dépend de plusieurs facteurs comme la structure électronique de la molécule, son interaction avec les électrodes de jonction, et la position relative entre les niveaux d’énergie moléculaires et ceux des électrodes. La compréhension du phénomène nécessite des mesures systématiques sur des systèmes physiques bien contrôlés. C’est ce qu’ont réalisé des physiciens de l’Institut Fritz Haber, de l’Institute of Materials Reseach and Engeneering (IMRE) et du Centre d’élaboration de matériaux et d’études structurales - CEMES (CNRS) dans le cadre du projet intégré Européen AtMol en préparant des nanorubans de graphène, et en comparant les mesures de conductance avec les prédictions théoriques. Ils ont montré qu’il est possible d’obtenir une conductance importante lorsque l’énergie des électrons approche celle des états électroniques moléculaires situés de part et d’autre du gap énergétique. Ils ont pour la première fois caratérisé la structure énergétique des ondes évanescentes responsables du passage des électrons. Ce travail a fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Nanotechnology.

Pour ce faire, les physiciens ont synthétisé des fils moléculaires de nano-graphène de 1 nm de large, ce qui correspond à un ruban de carbone épais d’un atome et large de 9 atomes. Le procédé de synthèse a été choisi pour assurer un motif connu et régulier et sans défauts sur les deux bords du ruban. Après avoir cartographié la structure électronique des rubans un par un par microscopie à effet tunnel à basse température, les chercheurs ont choisi les fils sans défauts. Puis, attrapant l’une des extrémités d’un ruban avec la pointe du microscope ils l’ont soulevé, laissant l’autre extrémité en contact avec la surface conductrice sur laquelle le ruban est posé. Avec ce procédé, il a alors été possible de mesurer la conductance d’un seul et même ruban pour différentes longueurs. Dans ce type de système, que le substrat et la pointe du microscope soient reliés ou non par une molécule, les électrons passent de l’un à l’autre par effet tunnel. Ainsi, il n’y a conduction substantielle que si la distance à traverser est plus courte que la longueur typique de l’onde évanescente électronique. Alors que, dans le vide, cette distance est typiquement de l’ordre d’un vingtième de nanomètre, elle est dix fois plus grande en présence d’un fils moléculaire de nano-graphène. Grâce à leurs mesures, les physiciens ont déterminé précisément la longueur typique de décroissance de la conductance et ont relié cette propriété à la structure électronique de la molécule. Ce travail a permis de montrer comment la conductance dépend de la structure atomique, et de la courbure du ruban à la jonction avec le substrat, illustrant l’importance des états de bord et de la géométrie planaire. Ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour la réalisation d’une électronique mono-moléculaire et pour la maîtrise de l’effet tunnel intramoléculaire longue distance.

Courant tunnel au travers d’un nano-ruban de graphène contracté et tiré par la pointe d’un microscope à effet tunnel. D’une intensité beaucoup plus faible que le courant au travers de la molécule, le courant direct à travers l’espace est indiqué en pointillés bleu.