Service de Physique de l'Etat Condensé

07 novembre 2017
Manipuler un atome et une molécule pour réaliser un couteau suisse moléculaire

La manipulation d’un atome et d’une molécule à l’aide d’un microscope à effet tunnel a permis la construction d’un nano-objet dont les propriétés électroniques et mécaniques sont modulables en fonction de la position de l’atome dans la molécule.

 

L’objectif des nanotechnologies est d’explorer, de comprendre et de contrôler la matière à l’échelle atomique, afin de concevoir et fabriquer des nano-objets avec différentes fonctionnalités. Ainsi, de nombreuses molécules de plus en plus complexes sont synthétisées pour réaliser une fonctionnalité particulière lorsqu’elles sont déposées sur une surface. Une avancée dans ce domaine vient d’être réalisée en construisant par manipulation atomique à l’aide d’un microscope à effet tunnel (STM) un système simple dont les propriétés électroniques et mécaniques peuvent être modulées à volonté.

 

© Jérôme Lagoute – MPQ (CNRS/Université Paris-Diderot). Image STM (conductance mesurée de la molécule, le jaune correspondant à la conductance la plus élevée et le bleu à la plus basse) de 2.8 nm de côté d’un rotor moléculaire construit en insérant un atome d’or au centre d’une molécule de porphyrine. La structure calculée de la molécule a été superposé à l’image.

Dans ce travail, des chercheurs du laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (MPQ, UMR 7162 CNRS/Université Paris Diderot) et du Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay (SPEC, UMR 3680 CNRS/CEA) ont utilisé une molécule isolée de porphyrine sur une surface d’or (111). La porphyrine, représentée sur la Figure 1, est une molécule qui est constituée de deux types de cycles carbonés (phényles et pyrrols), et d’un macrocycle central porteur de deux atomes d’hydrogène. La manipulation par la pointe d’un STM de cette molécule permet de la déplacer sur la surface d’or, et de la mettre en contact avec des atomes d’or adsorbés sur la surface.

Le positionnement d’un atome d’or sous un cycle phényle ou pyrrole de la molécule induit un transfert de charges de la surface vers la molécule, ce qui conduit à un dopage en électrons de celle-ci.

Une étape supplémentaire de manipulation permet d’amener l’atome d’or au centre de la molécule et d’enlever un atome d’hydrogène pour obtenir une structure capable de tourner sous l’effet du passage d’un courant tunnel. On obtient ainsi un rotor moléculaire dont l’axe de rotation est l’atome d’or. La structure de ce rotor a été identifiée par comparaison avec des calculs théoriques qui ont en particulier permis de mettre en évidence la déshydrogénation de la molécule.

Enfin, une nouvelle étape de manipulation permet de déshydrogéner complètement la molécule et conduit à une structure capable de se déplacer sur la surface d’or sous l’effet du champ électrique de la pointe STM : un mobile moléculaire.

Ce travail montre qu’il est possible de moduler volontairement les propriétés électroniques et mécaniques d’un nano-objet simple comme une molécule unique, afin d’en exploiter différentes fonctionnalités, réalisant ainsi un véritable couteau suisse moléculaire.

 

 

Référence:

Tuning the electronic and dynamical properties of a molecule by atom trapping chemistry.
V. D. Pham, V. Repain, C. Chacon, A. Bellec, Y. Girard, S. Rousset, E. Abad, Y. J. Dappe, A. Smogunov, and J. Lagoute.
Article mis en ligne sur le site de ACS Nano le 29 Septembre 2017.

 

Collaboration:

 

Contacts CEA: Yannick Dappe et Alexander Smogunov, Groupe Modélisation et Théorie (GMT), DRF/IRAMIS/SPEC

 

Maj : 07/11/2017 (2801)

 

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