Il est montré que la manipulation d’un atome et d’une molécule à l’aide d’un microscope à effet tunnel permet la construction d’un nano-objet sur une surface, dont les propriétés électroniques sont modulables en fonction de la position relative de ses deux composants.
Cette étude illustre les multiples potentialités d'une chimie de piègeage (Trapping chemistry), permettant de moduler les propriétés mécaniques et réactives des molécules, par une maitrise fine des transferts de charge au sein du nano-objet constitué.
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.
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.
Références :
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.
ACS Nano, 11 (2017) 10742.
Actualité du CNRS : « Comment construire une molécule multi-usages« .
Collaboration :
- Yannick Dappe et Alexander Smogunov, Service de Physique de l'Etat Condensé (DRF/IRAMIS/SPEC, UMR 3680 CEA-CNRS), CEA Saclay
- Van Dong Pham, Vincent Repain, Cyril Chacon, Amandine Bellec, Yann Girard, Sylvie Rousset et Jérôme Lagoute, Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, Université Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité, CNRS, UMR 7162
- Enrique Abad, Departamento Física Teórica de la Materia Condensada, Condensed Matter Physics Center (IFIMAC), Universidad Autónoma de Madrid
Contacts CEA : Yannick Dappe et Alexander Smogunov, Groupe Modélisation et Théorie (GMT), DRF/IRAMIS/SPEC.