Fils moléculaires commutables pour application en électronique

par Elarbi Chatir

Projet de thèse en Chimie inorganique et Bio inorganique

Sous la direction de Saioa Cobo.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Département de Chimie Moléculaire (laboratoire) et de CIRE (equipe de recherche) depuis le 30-09-2019 .


  • Résumé

    De nos jours, l'étude des molécules commutables et de leur intégration dans des dispositifs «intelligents» est un domaine de recherche très actif. Cependant, si une grande variété de molécules multifonctionnelles est disponible, de nombreux obstacles conceptuels et techniques entravent la mise en œuvre des matériaux moléculaires fonctionnels correspondants. En effet, la plupart des applications potentielles nécessitent des matériaux obtenus sous forme de films minces polymères ou d'autres formes organisées, tels que des assemblages ordonnés de nanoparticules ou des couches minces moléculaires, faciles à manipuler et à intégrer. Il est donc nécessaire de développer des méthodes efficaces pour la construction de surfaces actives par une fonctionnalisation moléculaire appropriée. L'électronique moléculaire vise à concevoir et à intégrer des molécules dans des dispositifs électroniques: le mécanisme de transport de tels systèmes repose principalement sur le transfert de charge, le mouvement des ions, le piégeage de la charge, le changement de conformation… et dépend de la structure chimique et de la longueur de la molécule déposée. La compréhension fine des propriétés de transport dans ces molécules constitue encore un verrou à lever avant toute application envisagée. En ce sens, l'axe de recherche développé dans l'équipe du DCM vise la conception de films moléculaires présentant des propriétés de conductivité, qui nécessite des chaînes moléculaires capables d'assurer un fort couplage entre les deux électrodes afin de favoriser le transfert d'électrons à travers ce pont chimique. Expérimentalement, l'incorporation de commutateurs moléculaires dans une jonction afin d'analyser les propriétés électroniques reste un véritable défi et ses applications pratiques de fait limitées. Une alternative puissante pour contrôler la construction de dispositifs commutables est la chimie supramoléculaire : cette approche ascendante basée sur l'auto-organisation programmée des molécules tire profit de la réversibilité intrinsèque des liaisons chimiques impliquées entre des objets moléculaires bien définis par la formation d'assemblages supramoléculaires et insuffle un caractère «adaptatif» à ces systèmes. C'est cette voie qui est mise en œuvre dans l'équipe à Grenoble. Une revue récente de la littérature liste une série d'études de monocouches commutables (rédox, optiques, magnétiques…), la plupart d'entre elles étant utilisées comme dispositifs de mémoire. En revanche, la synthèse de fils moléculaires commutables pour l'électronique moléculaire a beaucoup moins progressé. Dans ce contexte, le projet proposé pour cette thèse vise à répondre à une question spécifique: comment les propriétés de conductance pourraient-elles être modifiées / modulées par un fil moléculaire commutable à la lumière?

  • Titre traduit

    Molecular wires for electronics applications


  • Résumé

    Nowadays, the study of switchable molecules and their integration in devices as smart and multi-sensitive trigger is a very active field of research.1 The nature of the molecular switch and its combination with complementary material (in a so called composite material) in a synergetic way allows defining the corresponding field of application. However, if a wide variety of multifunctional molecules are available, many conceptual and technical obstacles remain and hinder the implementation of the corresponding functional molecular materials. Most potential applications require materials obtained as polymeric thin films or other organized forms, such as ordered assemblies of nanoparticles or thin molecular layers that are easily handled and integrated. It is therefore necessary to develop effective methods for constructing active surfaces and functional networks by appropriate molecular functionalization. On the other hand, molecular electronics aims at designing and integrating molecules in electronic devices: understanding the transport properties of the molecules still remains one of the most challenging topics prior to any envisioned application. The transport mechanism of such devices is mainly based on charge transfer, ion motion, charge trapping, conformation change2… and depends on the chemical structure and on the length of the deposited molecule. Consequently, the design of molecular films exhibiting conductivity properties requires molecular chains able to ensure a strong coupling between the two electrodes in order to favor the electrons transfer through this chemical bridge. In this context, several approaches can be used to measure the transport performance of molecules: molecular control break junction (MCBJ), C-Atomic force microscopy (C-AFM) or STM (Figure 1). Experimentally, the incorporation of molecular switches in a molecular junction in order to analyze the electronic properties remains a real challenge. Indeed, the main bottleneck is the recurrent problem faced by molecular electronics, namely the molecular connection to macroscopic electrodes. The alternative supramolecular chemistry stands as a powerful tool to control the construction of memory devices using the bottom-up approach based on the programmed self-organization of molecules. This approach takes profit of the intrinsic reversibility of chemical bonds involved between well-defined molecular objects through the formation of supramolecular assemblies, and insufflates an “adaptive” character to these systems. A survey of the literature shows a series of studies of several switchable monolayers (redox, optical, magnetic…),3-5 most of them being used as memory devices. In contrast, much less progress has been made in the synthesis of switchable molecular wires for molecular electronics (some of these studies are described below). In this context, this project aims at answering a specific question: How the conductance properties could be modified/modulated by light-switchable molecular wire?