Une spintronique à base de graphène pour une nouvelle génération de dispositifs électroniques moléculaires
La spintronique consiste à développer une électronique à l'échelle nanométrique pour la fabrication des disques durs, qui exploite la détection et la manipulation du spin des électrons. L'électronique moléculaire, quant à elle, utilise des molécules comme blocs constitutifs de circuits électroniques. Jusqu'à récemment, ces deux technologies étaient étudiées de façon séparée. ACMOL a développé un système de polarisation du spin commutable et fonctionnant à température ambiante, qui utilise des molécules électro-actives et magnétiques et les intègre dans des électrodes de type graphène modifiées avec des matériaux ferromagnétiques, ouvrant ainsi une nouvelle voie à la recherche sur la spintronique. «Malgré les progrès rapides en spintronique, la 'spintronique moléculaire' pose encore de grandes difficultés», explique le Dr Núria Crivillers, coordinatrice du projet pour ICMAL-CSIC en Espagne. «Alors que le marché exige une réduction continue de la taille des aimants intégrés aux disques durs, on ne sait toujours pas vraiment comment le spin des molécules interagit avec un courant électrique.» ACMOL contribue à répondre à cette question avec une preuve de concept montrant qu'un courant électrique peut interagir avec le spin de la molécule, de façon à le commuter entre différents états. Le projet a permis de mesurer et contrôler le transport de charge entre des jonctions électrode-molécule-électrode, développé une nouvelle technologie au graphène pour la spintronique moléculaire et comparé les performances de cette dernière à celles des technologies standard à base de métaux nobles. «Pour les expériences sur les modèles d'électronique moléculaire, on utilise en général de l'or pour fabriquer des électrodes espacées à l'échelle nanométriques. Malheureusement, ces électrodes ne sont pas stables à température ambiante, n'apportent qu'une faible reproductibilité et ne permettent pas l'injection de spin. En revanche, le graphène peut apporter cette stabilité. Il combine une résistance mécanique élevée, une conductivité électronique et thermique exceptionnellement importante, l'imperméabilité aux gaz et la stabilité à température ambiante. Par ailleurs, sa structure bidimensionnelle a le potentiel nécessaire pour des jonctions moléculaires plus reproductibles», explique le Dr Crivillers. ACMOL a considérablement fait progresser la technologie pour réaliser des électrodes aussi stables et les dispositifs moléculaires associés. Et il ne s'agit là que de l'une de ses nombreuses réalisations: le projet a notamment effectué une caractérisation complète de dispositifs à base de graphène, que ce soit à température ambiante ou à des températures cryogéniques; il a démontré comment des molécules attachées de façon covalente à un substrat graphène mécaniquement robuste pourraient être des candidates idéales pour la prochaine génération de dispositifs électroniques moléculaires; il a développé une nouvelle méthodologie de fabrication en masse d'électrodes à espacement nanométrique avec un confinement spatial à l'échelle nanométrique et une faible consommation d'énergie; il a mis au point une technique de rupteur en carbone dans des configurations de spectroscopie tunnel à balayage (STM), en utilisant de nouvelles extrémités en graphite; et il a créé de nouvelles méthodes informatiques pour traiter le transport d'électrons quantiques, qui ont été mises en œuvre dans le logiciel Smeagol. «Nos dispositifs pourraient être un catalyseur pour le développement d'une nouvelle génération de dispositifs électroniques haute performance, économiques, non volatils, polyvalents, ultra rapides et à faible consommation d'énergie dans des domaines tels que le stockage de données à haute densité, la microélectronique, les (bio)capteurs, l'informatique quantique et les technologies médicales», souligne le Dr Crivillers. Même si le projet n'ambitionnait pas d'aller au-delà de la recherche fondamentale, la compréhension et le contrôle de l'interaction spin de la molécule - électron et le développement d'une technologie à base de graphène auront certainement un rôle dans la révolution scientifique et technologique de la spintronique moléculaire. «Nous pensons que les résultats d'ACMOL contribueront au développement de nouveaux concepts pour les technologies hydrides, qui pourraient dépasser les limites actuelles de la technologie au silicium», estime le Dr Crivillers. À l'avenir, elle prévoit notamment des applications dans des matériaux en couche différents du graphène, comme MoS2, BN ou MoSe2. Dans l'ensemble, les réalisations techniques, expérimentales et informatiques d'ACMOL peuvent améliorer la compétitivité de l'Europe dans les domaines de la spintronique moléculaire et du graphène.
Mots‑clés
ACMOL, spintronique, électronique moléculaire, graphène, disque dur, électronique
