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Nanoparticules d’or et silicium : des promesses pour l’électronique moléculaire

L’électronique moléculaire commence à devenir réalité dans notre vie quotidienne, avec des réalisations qui atteignent le grand public, tels les écrans dits AMOLED, que possèdent un nombre croissant de mobiles, les diodes électroluminescentes organiques (OLED), transistors organiques (OFET), etc.

Pour intégrer ce type d’électronique aux technologies actuelles, il faut parvenir à organiser des molécules organiques bien choisies sur des surfaces de silicium, substrat de prédilection de l’électronique. Mais en moins d’une microseconde, une telle surface laissée à l’air ambiant se couvre d’oxyde, qui lui, est très désorganisé. Impossible alors de construire quelque chose sur ce gigantesque réseau de silicium… sauf que l’électronique s’est toujours astucieusement servie de cette couche d’oxyde, comme d’une mince couche isolante et a appris à contrôler plus ou moins sa croissance. Cependant, les exigences de miniaturisation demandent de disposer de couches isolantes plus fines et plus régulières. Un défi que relèvent les molécules organiques, avec pour préoccupation majeure actuellement, de réussir à fabriquer une couche moléculaire, directement sur les atomes de silicium, de telle sorte que les molécules répliquent l’ordre du silicium, tout en empêchant la formation spontanée d’oxyde.

Dans le cadre d’une collaboration avec une équipe de l’Université du Texas à Dallas, Olivier Pluchery, de l’équipe « Physico-chimie des surfaces fonctionnelles » de l’INSP, a réussi à élaborer une telle interface par des méthodes de chimie douce ; méthode qu’il a ensuite comparée à un greffage moléculaire sur silicium oxydé (voir Fig 1)

De l’hydrogène a d’abord été greffé sur une surface de silicium Si(111) par des procédés de chimie aqueuse, puis substitué par une molécule constituée d’une longue chaîne carbonée dans des conditions très bien contrôlées (suppression totale de toute trace de vapeur d’eau). Le succès d’un tel greffage s’appuie sur une très bonne connaissance de la chimie de la surface du silicium :un atome d’hydrogène sur deux a été spontanément substitué par la molécule organique constituée d’une chaîne de 11 atomes de carbones via une réaction d’hydrosylylation. Grâce à la technique de spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier, les chercheurs ont pu s’assurer que l’interface obtenue ne comportait aucune trace d’oxyde, et qu’elle demeurait stable à l’air pendant plusieurs jours (Fig. 2). Une durée remarquable en regard de la microseconde de stabilité initiale d’une surface de silicium !

Cette interface a été ensuite modifiée chimiquement par estérification pour la rendre capable de fixer des nanoparticules d’or, toujours sans altérer la qualité de l’interface (Fig. 3). Ce dépôt d’une couche compacte de nanoparticules d’or ouvre la voie à certaines applications. D’une part, une couche compacte de nanoparticules peut servir de point de départ pour déposer une électrode et permettre de connecter l’interface moléculaire à des circuits macroscopiques. D’autre part, la réduction de taille de nanoparticules (diamètre inférieur à 5 nm) permettrait de stocker des charges électriques individuelles pouvant servir à réaliser des mémoires. Ces nanoparticules donneraient alors lieu à des phénomènes électroniques singuliers, tels le blocage de Coulomb, qui pourrait être utilisé pour réaliser un transistor à un seul électron.

*Controlled Deposition of Gold Nanoparticles on Well-Defined Organic Mono layer Grafted on Silicon Surfaces Authors : D. Aureau, Y. Varin, K. Roodenko, O. Seitz, O. Pluchery and Y. J. Chabal Source : JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C Volume : 114 Issue : 33 Pages : 14180-14186 Published : 2010

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Fig. 1 : Comparaison de deux greffages moléculaires sur des surfaces de silicium. Dans les deux cas, la terminaison moléculaire avec une fonction amine NH2 permet de fixer solidement des nanoparticules d’or. La surface (a) présente une silanisation conventionnelle d’une surface de silicium oxydée. La couche moléculaire est très désordonnée et à caus de la couche d’oxyde de silicium l’interface est isolante. La surface (b) résulte du greffage organisé et maitrisé d’une chaine organique.

 

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Fig. 2 : La spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier (FTIR) permet de confirmer la qualité des interfaces. Le spectre FTIR de la surface (a) fait bien apparaître l’oxyde (région 1000-1200 cm-1 tandis que sa croissance a été stoppée sur la surface (b) bien qu’elle soit maintenue à l’air. La fonction amine destinée à se lier aux nanoparticules d’or apparaît également à 1397 et 1458 cm-1. Enfin, la longue chaine carbonée organisée constituée de groupements CH2 est clairement visible à 2860 et 2933 cm-1 sur la surface (b).

 

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Fig. 3 : Image par AFM d’une interface silicium / molécule / nanoparticules d’or.