L'électronique organique et moléculaire vise à développer un traitement de l'information basé sur différents types de nano-objets (molécules, bio-molécules, nanoparticules, nanotubes de carbone, graphène...).
Elle suppose de développer :
- La synthèse de nouvelles molécules et de nouveaux nano-objets
- Des méthodes de fonctionalisation chimique de nano-objets (graphène, nanoparticles, nanotubes, C60) pour la formation de matériaux hybrides aux propriétés nouvelles ou améliorées
- Des méthodes d'assemblage des nano-objets sur surface
- Des techniques de nano-fabrication permettant de connecter des nano-objets individuels
- Les mesures de caractérisation associées
- Des stratégies d'exploitation des propriétés pour la réalisation de nouvelles fonctions
- Des efforts théoriques pour modéliser les dispositifs étudiés et proposer de nouvelles structures aux propriétés originales.
Trois axes de recherche expérimentaux en électronique organique sont portés par l'équipe LICSEN du NIMBE :
- La fabrication de dispositifs et de circuits impliquant des nanotubes de carbone, qui passe par la maîtrise de leur positionnement sur une surface et de leur interconnexion. L'auto assemblage des nanotubes sur une surface localement fonctionnalisée chimiquement permet la fabrication de circuits élaborés.
- L'électronique imprimée, où les procédés de greffage via des molécules organiques permet de réaliser des circuits conducteurs à très bas coût (puces RFID, circuit complexes, pistes conductrices sub-microniques...)
- La spintronique organique, où il est montré que le découplage magnétique de couches mince métalliques peut être réalisé à l'aide d'une simple couche monomoléculaire organique.
Croix formée de deux nanotubes de carbone déposés sur de la silice. Les bandes grises (largeur 150 nm et hauteur moins de 1 nm) sont du "scotch moléculaire". Elles permettent aux nanotubes de se positionner.(Lab. CEA-Motorola, projet IST-10593)
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Des équipes du CEA Paris-Saclay, du CNRS du Mans, de l'Institut Fresnel et de l'Université Libanaise ont mis en œuvre une nouvelle technique de microscopie optique permettant d'observer les nanomatériaux bidimensionnels avec une résolution inégalée et de suivre en temps réel leur fonctionnalisation chimique. Basée sur un principe optique simple mais jusque-là inexploité – la technique utilise dse couches antireflets absorbantes – la technique nommée BALM (pour Backside Absorbing Layer Microscopy) permettant l'observation de matériaux aussi fins et transparents que l'oxyde de graphène monocouche. Cet exploit expérimental, couplé à la versatilité de la technique, permet par exemple d'observer en temps réel l'adsorption de molécules ou de nanoparticules sur du graphène ou d'autres matériaux ultraminces. Mieux encore, la géométrie particulière de la microscopie BALM permet de travailler aussi bien à l'air que dans un solvant et peut être combinée à d'autres techniques d'analyse ou de modification de nanomatériaux, notamment l'électrochimie. Ce travail est publié dans la revue Science Advances. |
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L'analyse de larges quantités de données ou d'images, le développement des véhicules autonomes, les progrès de la robotique ou des biocapteurs, changent nos attentes vis-à-vis des puces électroniques. Si le calcul haute-précision, idéalement réalisé par les microprocesseurs conventionnels, reste incontournable, d'autres fonctionnalités sont de plus en plus recherchées, telles que les fonctions de classification. Pour celles-ci les algorithmes de type "réseaux de neurones artificiels" (ANNs) sont mieux adaptés. Ils sont aujourd'hui implémentés de façon logicielle sur des processeurs conventionnels, mais de nouvelles puces électroniques spécifiquement conçues pour ce mode de traitement de l'information permettraient d'accélérer considérablement l'analyse des données, tout en réduisant la consommation énergétique. Ces nouveaux processeurs peuvent être fabriqués à partir de la technologie silicium classique. Cependant l'une de leurs fonctions clés (coder l'intensité des connexions entre neurones) requiert une très grande quantité de mémoire non-volatile qui pourrait être plus efficacement réalisées par des mémoires résistives analogiques : des "memristors". Si de nombreux types de memristors sont à l'étude (mémoires à changement de phase, Ox-RAM, CB-RAM, etc.) aucun n'est idéalement adapté à l'application analogique visée. Une collaboration CEA-IEF a réalisé un nouveau type de mémoires résistives analogiques organiques basées sur l'électro-greffage de molécules redox au sein de jonctions métal/organique/métal. Ces dispositifs sont intégrés en tant que synapses dans un prototype élémentaire de circuit capable d'apprendre sa fonction, selon deux règles d'apprentissage. La caractérisation des imperfections des synapses a servi de base à d'importants efforts de simulation, montrant l'effet de leur variabilité sur l'efficacité d'apprentissage du circuit. Le potentiel de cette approche est également évalué par simulation pour la réalisation de fonctions complexes comme la reconnaissance d'écriture manuscrite. |
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Depuis sa découverte le graphène suscite un intérêt considérable du fait de ses propriétés électriques, optiques et mécaniques exceptionnelles. Il se présente aujourd’hui comme l’un des nano-objets les plus prometteurs dans de nombreux domaines d'applications allant de l'électronique à la production et au stockage d’énergie. Au-delà de l’obtention de graphène en grande quantité et à bas coût, la qualité des feuillets de graphène et de leur assemblage sont bien entendu déterminants pour garantir les performances des dispositifs. Ces 3 conditions forment un pré-requis indispensable aux développements industriels. Une nouvelle méthode de formation de films ultra-minces d'oxyde de graphène a été développée et optimisée par une équipe de l'IRAMIS. Cette méthode est basée sur le transfert d'un film d'eau stabilisé par des tensioactifs et contenant les nano-objets à assembler. La qualité structurale des films et du traitement de réduction du graphène, ainsi que les propriétés optiques et électriques obtenues ont été caractérisées. Les résultats montrent que les électrodes réalisées sont particulièrement performantes. Des cellules solaires prototypes basées sur des hétérojonctions silicium/carbone ont pu être élaborées par ce procédé, qui présente plusieurs avantages indéniables du point de vue de sa simplicité et de la qualité du produit obtenu. |
Plusieurs voies permettent d’obtenir du graphène. Le graphène obtenu par clivage mécanique (c'est à dire par la méthode historique dite "d'exfoliation au scotch") est d’excellente qualité et a permis les principales avancées scientifiques. Cependant, cette technique n'est pas transposable à grande échelle. Récemment, la croissance de graphène par CVD (chemical vapor deposition) sur surface métallique a fait d'immenses progrès et permet d'obtenir des feuillets de grande qualité et de superficie croissante. Par ailleurs, les voies reposant sur l’exfoliation en voie humide du graphite, composé abondant sur Terre, sont considérées comme les plus adaptées à l’obtention de graphène en très grande quantité et à moindre coût. Mais malgré les progrès récents, l’exfoliation directe du graphite en solution aqueuse ou organique mène généralement à l’obtention de feuillets multicouches et de très faibles dimensions.
Il existe une autre voie pour obtenir en grande quantité ces feuillets carbonés (Figure 1). Cette voie repose sur une première étape d’oxydation du graphite qui entraîne une fonctionnalisation des plans de graphène par des groupements oxygénés. Cette fonctionnalisation se traduit par une augmentation de la distance entre les plans et confère au matériau un caractère hydrophile particulièrement utile. La combinaison de ces deux propriétés facilite grandement l’exfoliation du graphite oxydé en milieu aqueux, et permet d’obtenir des feuillets monocouches d’oxyde de graphène en suspension dont la surface est bien plus grande que lors de l’exfoliation directe du graphite. En tant que métériau isolant, l’oxyde de graphène a des utilisations directes en nanochimie ou en biologie, mais il est nécessaire de le réduire pour recouvrer des propriétés physiques et électriques intéressantes, se rapprochant des propriétés du graphène.
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La réalisation de composants électroniques à base de graphène est aujourd'hui un défi technologique plein de promesses, puisque l'on peut espérer bénéficier de la mobilité électronique exceptionnelle au sein de ce matériau, constitué d'un seul plan atomique d'atomes de carbone. Autre défi, la réalisation de composants électroniques organiques (électronique "souple"), permettant la réalisation de composants de haute performance à bas coût. A la convergence de ces 2 objectifs, l'équipe du LEM de l'IRAMIS/SPEC, en collaboration avec l'IEMN (Lille) et l'Université Northwestern (Depts. Mat Science and Enginering / Chemistry, Illinois, USA) a élaboré un nouveau procédé original de réalisation de transistors haute fréquence (GHz) basé sur une technique d'impression utilisant du graphène en suspension dans l'eau, stabilisée par des tensioactifs. |
Assembler des molécules aimants sur des nanotubes de carbone : une première que vient de réaliser une équipe de l'Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (CNRS/Université Paris 11) en collaboration avec l'Institut Lavoisier de Versailles (CNRS/Université de Versailles Saint-Quentin), le laboratoire de Chimie Physique (CNRS/Université Paris 11), le laboratoire d'Electronique Moléculaire (de l'IRAMIS/SPEC au CEA-Saclay) et l'Institut Néel de Grenoble (CNRS/Université Joseph Fourier). Ces nouveaux objets intéressent les physiciens, car ils permettent de stocker de façon indépendante dans chaque molécule de très petite taille (~ 2nm) une information binaire (état on ou off), mais aussi les chimistes car ce système permet d'observer une accélération exceptionnelle du transfert électronique entre les électrodes et les polyoxométallates(*) laissant présager de nouvelles propriétés catalytiques. Ces résultats ont fait l'objet d'un article dans l'édition du journal Angewandte Chemie du 2 juin.
Le développement et la réalisation de dispositifs en micro- et bio-électronique nécessite souvent de déposer des couches de substances organiques sur des surfaces conductrices ou semi-conductrices. Pour ceci l'accroche chimique (ou greffage) est très efficace. La miniaturisation souhaitée des composants demande de pouvoir réaliser aujourd'hui ce greffage de façon très localisée, à l'échelle du micron, voire sub-micronique.
Pour lier de façon localisée une molécule à une surface, on expose usuellement la surface macroscopique d'un substrat à de très faibles quantités de solution. La localisation peut aussi être assistée par un faisceau lumineux ou une chimie spécialisée. La plupart de ces techniques requièrent de nombreuses étapes de transformation et leur mise en œuvre est souvent fastidieuse et onéreuse. Dans ce contexte, nous montrons qu'il est possible par une démarche originale d'effectuer un greffage local en une seule étape, ne nécessitant aucune technique de masquage et à base de technologies légères de faible coût.
Nous avons montré récemment [1-4] qu'il était déjà possible de décorer, localement et en une seule étape, par un film organique (électro-greffage de monomères vinyliques), la surface d'un échantillon composite présentant des zones de conductivité différente (Au/Si, Si/Si dopé). La sélectivité spatiale du dépôt est obtenue dans ce cas en jouant simplement sur le potentiel imposé, qui permet de promouvoir le transfert électronique (et donc le greffage du polymère) vers l'une des surfaces à l'exclusion de l'autre. Le motif prédéfini est ainsi parfaitement respecté, avec une résolution latérale uniquement limitée par l'épaisseur du film (de quelques nm à quelques centaines de nm).
Les éditeurs de la revue « Journal of the American Chemical Society » ont récemment choisi pour "JACS Select" un article du Laboratoire d’Electronique Moléculaire intitulé : "Facile Decoration of Functionalized Single-Wall Carbon Nanotubes with Phthalocyanines via “Click Chemistry" ". Dans le but à la fois de souligner et d’expliquer à une audience de non spécialistes des sujets d’intérêts, le "Journal of the American Chemical Society" a mis en place "JACS Select", qui est en fait un journal virtuel thématique rassemblant des articles récemment publiés dans JACS que les éditeurs considèrent comme marquants. L’article du LEM a été sélectionné dans le numéro intitulé "Molecular Design of Thin Film Optoelectronic Materials for Solar Cells".
Les recherches conduites au LEM portent essentiellement sur l’électronique à base de nanotubes de carbone monoparois (SWNTs). Les nanotubes de carbone sont des objets unidimensionnels possédant des propriétés électroniques et mécaniques exceptionnelles qui en font un matériau de choix pour l’électronique, la conversion d’énergie, les composites ou les applications biologiques. Pour cela, de nombreuses équipes à travers le monde s’intéressent à la fonctionnalisation chimique des nanotubes afin d’améliorer ou de combiner leurs propriétés avec celles de molécules actives.
La fabrication d’assemblages moléculaires à base de nanotubes de carbone est cependant encore limitée à cause de la difficulté d'incorporer des molécules à forte valeur ajoutée sur la surface des nanotubes. La "click chemistry" peut apporter une solution très élégante pour la réalisation de matériaux fonctionnels à base de nanotubes. Le concept de "click chemistry" a été introduit en 2001 par Sharpless, il définit un groupe de réactions chimiques qui sont propres, versatiles, simples et économiques à mettre en œuvre. Parmi toutes les réactions de la chimie organique, la cycloaddition de Huisgen représente la réaction la plus efficace. Cette réaction est une cycloaddition 1,3-dipolaire entre un azide et un alcyne.
Des chercheurs de l’Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN / CNRS – Universités Lille 1 et Valenciennes, Institut Supérieur de l’Electronique et du Numérique-ISEN) et du Service de Physique de l'Etat Condensé du CEA sont parvenus à réaliser des transistors à partir de nanotubes de carbone sur substrat de silicium. Ces transistors, principalement utilisés comme interrupteur commandé, atteignent des fréquences de coupure de 30 GHz [1], ce qui améliore d’un facteur 4 le dernier record obtenu par les mêmes équipes en août 2006. Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives pour les applications grand public nécessitant des fréquences de fonctionnement élevées.
