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Des pointes en carbone pour l’électronique moléculaire

27 juin 2014

SPEC - UMR 3680

En modélisant ab initio la conduction du courant électrique entre une pointe de carbone et une molécule unique, des physiciens viennent de montrer que ce type de contact ouvre une alternative à l’utilisation de contacts métalliques dans les dispositifs d’électronique moléculaire.

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Actuellement, dans les dispositifs d’électronique moléculaire, les jonctions utilisées pour connecter des molécules uniques sont constituées notamment d’or, de platine ou d’argent. Cette utilisation exclusive de métaux limite les types de molécules utilisables, et la nature des liaisons responsables de la jonction électrique est susceptible d’affecter les propriétés intrinsèques de la molécule étudiée. Des expériences récentes, avec comme contacts non pas des métaux, mais des nanotubes ou des fibres de carbone, ont ouvert la porte à une électronique moléculaire où molécules et contacts sont à base de carbone. En modélisant de manière détaillée le transport électronique entre une pointe de carbone et des composants moléculaires, une équipe franco-espagnole de physiciens, du Service de Physique de l’Etat Condensé - SPEC (CNRS/CEA), de l’Université Autonome de Madrid et de l’Université d’Oviedo, vient de montrer qu’une pointe de carbone établit des jonctions relativement conductrices avec des molécules ou des nanostructures à base de carbone. Ce travail ouvre la voie à une utilisation large et éventuellement exclusive de carbone dans les dispositifs d’électronique moléculaire. Ces recherches sont publiées dans la revue Nanoscale.

Pour réaliser ce travail, les physiciens ont modélisé ab initio les propriétés conductrices d’une jonction entre une pointe de carbone et une molécule unique. Ils ont considéré une électrode formée de quelques feuillets de graphène, connectée à une molécule en prenant en compte pour leurs calculs une centaine d’atomes de la pointe et plus de 400 atomes du feuillet de graphène ainsi que tous les atomes de la molécule de fullerène ou de la molécule de benzène se trouvant dans la jonction. Ils ont ensuite déterminé l’énergie de tout le système à l’aide de la théorie de la fonctionnelle de densité. En travaillant ensuite de manière itérative ils ont déterminé les forces entre atomes et les positions d’équilibre de ces derniers. C’est cette détermination précise des positions atomiques qui leur a permis de calculer le courant d’électrons qui traverse ce système. De manière générale, ces jonctions sont bonnes conductrices du courant. Mais surtout, en analysant la nature des jonctions obtenues avec des molécules de fullerène ou de benzène, les physiciens ont montré que contrairement aux pointes métalliques, les jonctions formées par la pointe de carbone ne forment pas de contact « chimique » avec les molécules. Par conséquent, elles n’altèrent pas la nature des molécules par la formation d’un contact, et laissent intactes leurs propriétés pour l’électronique. Si l’on ajoute à cela que ces jonctions sont mécaniquement très résistantes et bien moins couteûses que des électrodes métalliques, les perspectives semblent tout à fait favorables au développement de cette électronique moléculaire « tout carbone ».

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Vue artistique d’une jonction moléculaire constituée d’une pointe en carbone, d’une molécule de fullerène et d’un plan de graphène.
© Yannick Dappe – SPEC (CNRS/CEA Saclay)

En savoir plus

Carbon tips for all-carbon single-molecule electronics
Y. J. Dappe1, C. González2 et J. C. Cuevas3, Nanoscale, 6, 6953-6958 (2014) - DOI : 10.1039/C4NR00516C

Contact chercheur

Yannick Dappe, chargé de recherche CNRS

Informations complémentaires

1 Service de Physique de l’État Condensé (SPEC), "Unité de Recherche Associée" CNRS/CEA - URA 2464

2 Departamento de Física, Universidad de Oviedo, Spain

3 Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada and Condensed Matter Physics Center (IFIMAC), Universidad Autónoma de Madrid, Spain

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr