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Paris, 25 février 2003

Un interrupteur moléculaire « ultra-basse consommation »

Grâce à l'utilisation du microscope à force atomique, la force nécessaire au basculement ouvert-fermé d'un interrupteur moléculaire réalisé avec une seule molécule vient d'être mesurée. Pour assurer la commutation, les chercheurs ont uniquement joué sur le changement de conformation d'une liaison chimique provoqué par la pointe du microscope. L'énergie correspondant au basculement de l'interrupteur moléculaire est ainsi 10 000 fois plus faible que pour un transistor de la microélectronique. Ces travaux ont été réalisés par le groupe nanosciences du Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES-CNRS, Toulouse), associé au département de physique fondamentale de l'Université de Bâle et d'IBM Zurich. Ils s'inscrivent dans la perspective d'une électronique moléculaire où chaque transistor sera remplacé par une seule molécule.

Il y a deux ans, le groupe de physique de l'Université libre de Berlin, en collaboration avec le groupe nanosciences du Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES-CNRS, Toulouse), mettait au point un interrupteur moléculaire sur une molécule cyclique de porphyrine substituée par 4 groupements dibutyl-phényl. De ces 4 pieds moléculaires, 3 ont servi à former un trépied stable pour la porphyrine. Les chercheurs ont alors déposé la molécule sur une surface de cuivre servant d'électrode de contact. Pour obtenir un commutateur moléculaire, il ne leur restait plus qu'à créer un effet de basculement intramoléculaire, en appliquant sur le groupe restant la pointe d'un microscope à effet tunnel. La rotation du phényl autour de sa liaison avec la porphyrine ne conduit qu'à deux positions stables, une perpendiculaire à la surface de cuivre et l'autre parallèle. Parce que l'une permet une conductance élevée de la jonction métal-molécule-métal formée et l'autre pas, les deux conformations moléculaires ont constitué les positions « on » et « off » de l'interrupteur. La nouvelle étape, présentée dans la revue Physical Review Letters du 14 février 2003, a permis d'évaluer l'énergie de commutation consommée par ce nouveau composant électronique. Une mesure encore jamais réalisée et qui n'aurait pu l'être sans l'utilisation d'une nouvelle version du microscope à force atomique dans l'ultra-vide, en collaboration avec le groupe d'IBM Zurich. Les chercheurs ont travaillé en fixant une oscillation permanente du bras de levier au dessus du phényl et en enregistrant les variations de fréquence de ce bras de levier en fonction de la position verticale de la pointe. L'interaction entre la pointe du microscope et la surface de la molécule a ainsi provoqué le basculement du phényl et permis de déduire la force mise en jeu dans le basculement. L'équipe toulousaine du CNRS s'est servie de ces résultats pour modéliser l'expérience sur ordinateur et calculer l'énergie de commutation correspondant à la force mesurée. Celle-ci a été évaluée à 47 zeptoJoules (47 x 10-21 Joules), une valeur plus faible que l'énergie de rotation théorique d'une liaison carbone-carbone. La modélisation moléculaire a résolu cette énigme, en montrant que le basculement du phényl est précédé d'une déformation de l'ensemble de la molécule due à la pointe qui limite la quantité d'énergie nécessaire à ce basculement. Si ces travaux représentent une véritable prouesse technologique et amènent les scientifiques à rivaliser avec les limites de la thermodynamique, l'avenir de ces nouveaux composants moléculaires n'est pourtant pas assuré. Avec une consommation de l'ordre de 50zJ, soit 10 000 fois moins qu'un transistor de microélectronique, on aurait pourtant parié sur les potentialités de l'approche hybride, interconnectant composants moléculaires et fils métalliques. Mais comme le souligne Christian Joachim, la miniaturisation de la micro-électronique se heurte déjà aujourd'hui à certains écueils. « Si on combine les prévisions liées à la loi de Moore (de plus en plus de composants par puce) et l'évolution de consommation des composants qui ne pourra s'affranchir de la thermodynamique, on arrive dans dix ans à des puces consommant près du mégawatt ». La synthèse d'une seule molécule intégrant l'ensemble des fonctions électroniques pourrait alors représenter une alternative de choix.

Références :

- « Direct determination of the energy required to operate a single molecule switch”.
Ch. Loppacher, M. Guggisberg, O. Pfeiffer, E. Meyer, M. Bammerlin, R. Lüthi, R. Schlittler, J.K. Gimzewski, H. Tang, C. Joachim, Phys. Rev. Lett. 90, 066107 (2003)

- Physical Review Letter, 86, 674, (2001)

Contacts :

Contact chercheur
Christian Joachim
Tél : 05 62 25 78 35
Mél: joachim@cemes.fr

Contact presse :
Martine Hasler
Tél :01 44 96 46 35
Mél : martine.hasler@cnrs-dir.fr

Contact département des sciences chimiques :
Laurence Mordenti
Tél : 01 44 96 41 09
Mél : laurence.mordenti@cnrs-dir.fr

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