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GNS

Groupe NanoSciences

Le Groupe NanoSciences (GNS) est une équipe multidisciplinaire rassemblant des chimistes, des physiciens des surfaces et des théoriciens. Notre objectif est de réaliser, dans une seule molécule ou un nombre d’atomes aussi limité que possible, une fonction complexe tels que le transfert d’information (électronique, optique, magnétique) à longue distance et une fonction logique Booléenne classique ou quantique, un mouvement mécanique et une transduction classique <-> quantique.
Pour entrer en fonction, la molécule est intégrée dans une architecture multi-échelle et, in-fine, coplanaire avec ses nano-interconnections. Nous développons des technologies radicales telles que la manipulation d’atomes individuels, ou la construction de molécules ou de réseaux 2D par synthèse chimique sur surface et nous poussons les techniques de nano-structuration vers les précisions ultimes de fabrication à l’atome près.

LES THÉMATIQUES DE RECHERCHE

Chercheurs : Jacques Bonvoisin (CR CNRS), Xavier Bouju (DR CNRS), Olivier Guillermet (MCF UPS), Christian Joachim (DR CNRS), Claire Kammerer (MCF UPS), Gwénaël Rapenne (PR UPS)

 

1. Moteurs moléculaires

Chercheurs : Christian Joachim (DR CNRS), Claire Kammerer (MCF UPS), Gwénaël Rapenne (PR UPS)

Objectif : Mettre en mouvement rotatif unidirectionnel une seule molécule-rotor

Réussir à maîtriser le mouvement de rotation de moteurs moléculaires à l’échelle du nanomètre et de la molécule unique conduira à la conception de dispositifs électroniques et mécaniques de plus en plus petits et économes en énergie (voir le projet européen ESiM).

Un moteur transforme une source d’énergie en travail via un mouvement de rotation unidirectionnel contrôlé. Les moteurs synthétisés dans GNS ont été pensés pour être adressés sur une surface à l’échelle d’une seule molécule à l’aide de techniques de microscopie à champ proche.

Exemples de moteurs moléculaires synthétisés au CEMES © G. Rapenne CEMES-CNRS/UPS

En collaboration avec le Prof. Saw-Wai Hla (Université d’Ohio), nous avons étudié la rotation électro-induite de l’un de ces moteurs. En plaçant la molécule à une température de 5 K sur une surface d’or, nous sommes parvenus à déclencher le mouvement pas à pas de la sous-unité rotor et à en contrôler le sens de rotation. Pour cela, nous utilisons les électrons issus de la pointe d’un microscope à effet tunnel (STM), qui sert à la fois d’instrument d’observation et de source d’énergie. Comme le montre la figure ci-dessous, le sens de rotation dépend de la pale du rotor qui est positionnée sous l’extrémité de la pointe du microscope au moment de l’excitation.

Le moteur moléculaire est ancré sur une surface via trois points daccroche. Le plateau supérieur (rotor) tourne dans un sens ou dans lautre autour de son axe, selon la position de la pointe du microscope. © G. Rapenne et G. Vives, CEMES-CNRS/UPS

Quelques années plus tard, nous avons développé une nouvelle famille de moteurs moléculaires qui ont vocation à travailler de manière synchronisée à des températures plus élevées. Un comportement ferroélectrique a été mis en évidence dans une monocouche auto-assemblée sur surface d’or avec une rotation synchronisée sous l’influence du champ électrique induit par la pointe STM. Cette rotation se produit sur de longues distances, uniquement limitées par les extrémités des domaines de la surface.

Rotation synchronisée dune couche auto-assemblée de moteurs moléculaires portant un dipôle permanent © G. Rapenne, CEMES-CNRS/UPS

 

Prototypes of molecular motors based on star-shaped organometallic ruthenium complexes G. Vives, H.P. Jacquot de Rouville, A. Carella, J.P. Launay, G. Rapenne, Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1551-1561. DOI: 10.1039/b804684k

Controlled clockwise and anticlockwise rotational switching of a molecular motor U. Perera, F. Ample, H. Kersell, Y. Zhang, G. Vives, J. Echeverria, M. Grisolia, G. Rapenne, C. Joachim, S.-W. Hla, Nature Nanotech. 2013, 8, 46-51. DOI: 10.1038/NNANO.2012.218

Scorpionate hydrotris(indazolyl)borate ligands as tripodal platform for surface-mounted molecular motors and gears C. Kammerer, G. Rapenne, Eur. J. Inorg. Chem. 2016, 2214-2226. DOI: 10.1002/ejic.201501222

Simultaneous and coordinated rotational switching of all molecular rotors in a network Y. Zhang, H. Kersell, R. Stefak, J. Echeverria, V. Iancu, G. Perera, Y. Li, K.-F. Braun, C. Joachim, G. Rapenne, S.-W. Hla, Nature Nanotech. 2016, 11, 706-713. DOI: 10.1038/nnano.2016.69

A chiral molecular propeller designed for unidirectional rotations on a surface Y. Zhang, J.P. Calupitan, T. Rojas, R. Tumbleson, G. Erbland, C. Kammerer, T.M. Ajayi, S. Wang, L.C. Curtiss, A.T. Ngo, S.E. Ulloa, G. Rapenne, S.W. Hla, Nature Commun. 2019, 10, 3742. DOI: 10.1038/s41467-019-11737-1

A molecular rotor functionalized with a photoresponsive brake R Asato, C.J. Martin, S. Abid, Y. Gisbert, F. Asanoma, T. Nakashima, C. Kammerer, T. Kawai, G. Rapenne, Inorg. Chem. 2021, 60, 3492-3501. DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c03330

 

2. Nanovéhicules

Chercheurs : Jacques Bonvoisin (CR CNRS), Xavier Bouju (DR CNRS), Olivier Guillermet (MCF UPS), Christian Joachim (DR CNRS), Claire Kammerer (MCF UPS), Gwénaël Rapenne (PR UPS)

Objectif : Contrôler la direction et la vitesse de déplacement d’une molécule sur une surface.

Après la conception d’une brouette moléculaire en 2001 puis sa synthèse et son observation en 2003, nous avons montré en 2007 que lorsque deux roues sont montées sur un essieu, l’une d’elles est capable de tourner sous la poussée de la pointe STM. Expérimentalement, les molécules ont été soigneusement déposées sur une surface de cuivre très propre, et observées au moyen d’un STM. La pointe STM est utilisée à la fois comme une sonde pour capturer une “image” et comme un doigt de taille nanométrique pour déclencher la rotation de la roue.

La brouette moléculaire © GNS-CEMES-CNRS/UPS

Quelques années plus tard, une nanovoiture a été synthétisée et qualifiée pour la Nanocar Race I d’avril 2017. Sa structure chimique est fondée sur un châssis central incurvé et quatre roues. Les molécules ont été sublimées sur une surface d’or et imagées à basse température à l’aide du microscope à effet tunnel du LT-UHV 4-STM. De la spectroscopie tunnel a également été effectuée sur Au(111) afin d’établir une cartographie des résonances proches du niveau de Fermi et d’identifier le port d’entrée d’énergie potentielle sur le squelette moléculaire permettant de déclencher et contrôler un mouvement de la molécule sur la surface.

Nanovoiture qualifiée à la Nanocar Race I © GNS-CEMES, CNRS/UPS

En 2022, une seconde nanovoiture synthétisée à NAIST (Nara, Japon) a participé à la Nanocar Race II les 24-25 mars 2022 (https://www.youtube.com/watch?v=H0r4yNysAdo). L’architecture est cette fois-ci basée sur un châssis porphyrinique, entouré de deux roues triptycène et de deux groupements permettant d’induire un dipôle permanent.

Nanovoiture à structure porphyrinique comportant un dipôle électrique permanent t image de cette molécule-voiture à 2 roues sur la surface Au(111) enregistrée pendant la Nanocar Race II après la négociation d’un virage © GNS-CEMES-CNRS/UPS/NAIST

D’autres modèles de nanovoitures sont à l’étude et en phase de conception notamment sur un modèle de chassis encore différent incorporant une structure du type bis-salophène. L’intérêt ici est l’incorporation de centres métalliques différents incluant ainsi un possible moment dipolaire intramoléculaire permanent.

 

The design of a mono-molecular barrow

Rolling a single molecular wheel at the atomic scale L. Grill, K. H. Rieder, F. Moresco, G. Rapenne, S. Stojkovic, X. Bouju, C. Joachim, Nature Nanotech. 2007, 2, 95-98. DOI: 10.1038/nnano.2006.210

Molecular Machines : Synthesis and characterization of two prototypes of molecular wheelbarrows G. Rapenne, G. Jimenez-Bueno, Tetrahedron 2007, 63, 7018-7026. DOI: 10.1016/j.tet.2007.05.019

Synthesis of polycyclic aromatic hydrocarbon-based nanovehicles equipped with triptycene wheels H.P. Jacquot de Rouville, R. Garbage, R.E. Cook, A.R. Pujol, A.M. Sirven, G. Rapenne, Chem. Eur. J. 2012, 18, 3023-3031. DOI: 10.1002/chem.201102893

Synthesis and STM imaging of symmetric and dissymmetric ethynyl-bridged dimers of boron-subphthalocyanine bowl-shaped nano-wheels H.P. Jacquot de Rouville, R. Garbage, F. Ample, A. Nickel, J. Meyer, F. Moresco, C. Joachim, G. Rapenne, Chem. Eur. J. 2012, 18, 8925-8928. DOI: 10.1002/chem.201201123

Molecule concept-nanocars : chassis, wheels and motors? C. Joachim, G. Rapenne, ACS Nano, 2013, 7, 11-14. DOI: 10.1021/nn3058246

World’s first nanocar race: a single molecule piloted per team G. Rapenne, C. Joachim, Nature Rev. Mater. 2017, 2, 17040-17042. DOI: 10.1038/natrevmats.2017.40

From the synthesis of nanovehicles to the participation at the first Nanocar Race H.-P. Jacquot de Rouville, C. Kammerer, G. Rapenne, Molecules 2018, 23, 612-623. DOI: 10.3390/molecules23030612

Surface manipulation of a curved polycyclic aromatic hydrocarbon-based nanovehicle equipped with triptycene wheels W.-H. Soe, C. Durand, S. Gauthier, H.-P. Jacquot de Rouville, C. Kammerer, G. Rapenne, C. Joachim, Nanotechnology 2018, 29, 495401. DOI: 10.1088/1361-6528/aae0d9

A dipolar nanocar based on a porphyrin backbone T. Nishino, C.J. Martin, H. Takeuchi, F. Lim, K. Yasuhara, Y. Gisbert, S. Abid, N. Saffon-Merceron, C. Kammerer, G. Rapenne, Chem. Eur. J. 2020, 26, 12010-12018. DOI: 10.1002/chem.202001999

 

3. Engrenages moléculaires

Chercheurs : Christian Joachim (DR CNRS), Claire Kammerer (MCF UPS), Gwénaël Rapenne (PR UPS)

Objectif : Transférer un mouvement de rotation au sein d’un train d’engrenages moléculaires

La conception et la synthèse de molécules capables d’effectuer des actions mécaniques précises est l’une des clés du développement futur de nano-machineries moléculaires complexes. Dans ce contexte, nous étudions le transfert du mouvement de rotation, idéalement sur de longues distances, au sein de trains d’engrenages moléculaires.

Un train de trois engrenages moléculaires © GNS-CEMES-CNRS/UPS

Dans ce but, nous avons conçu un dispositif moléculaire à crémaillère pour lequel une pointe STM entraîne une seule molécule pignon à basse température. Le pignon est une molécule de 1,8 nm de diamètre fonctionnant comme une roue à six dents, intriquée au bord d’un îlot moléculaire auto-assemblé faisant office de crémaillère. La rotation de la molécule pignon, dent par dent, le long de la crémaillère est mise en évidence grâce à une étiquette chimique dans l’une de ses dents.

Structure de la roue dentée et images STM successives montrant la rotation du pignon (molécule unique) le long du bord de la crémaillère (monocouche auto-assemblée des mêmes molécules © GNS-CEMES-CNRS

Plus récemment, deux de ces molécules ont été montées chacune sur un adatome de cuivre, séparés exactement de 1,9 nm sur une surface de plomb à l’aide d’un microscope à effet tunnel à basse température (LT-STM). Un train fonctionnel de deux engrenages moléculaires a été construit en ajoutant une poignée moléculaire. Sans adatome, cette molécule auxiliaire est en prise mécanique avec la première roue dentée du train d’engrenages pour stabiliser sa rotation pas à pas. Centrée sur son axe en Cu, la rotation de la première roue dentée  induit la rotation corrélée de la seconde à la manière d’un train d’engrenages macroscopiques.

Images STM montrant le mouvement corrélé disrotatoire de deux roues dentées ancrées sur des atomes uniques de Cu, lorsqu’elles sont actionnées via une poignée moléculaire. © GNS-CEMES-CNRS

Dans une approche alternative, il est également envisagé d’exploiter un axe métallo-organique comme moyen d’ancrer des roues dentées sur une surface et de construire des trains d’engrenages moléculaires. La conception et la synthèse de deux familles de prototypes d’engrenages moléculaires à base de ruthénium ont récemment été décrites. Ces complexes incorporent un ligand tripode de type hydrotris (indazolyl)borate comme axe de rotation et un ligand pentaarylcyclopentadiényle comme roue dentée en forme d’étoile, équipée de cinq dents allant de groupes aryles pseudo-1D à de grandes pales 2D planes. Une approche synthétique divergente a été suivie, à partir de complexes pentakis(p-halogénophényl) cyclopentadiényl ruthénium(II) comme précurseurs clés. Des réactions de couplage croisé successives avec divers partenaires ont permis d’atteindre une grande diversité structurale et ont conduit à des prototypes symétriques et dissymétriques d’engrenages moléculaires comportant des dents dérivées d’aryle, de carbazole, de BODIPY et de porphyrine de taille et de longueur croissantes.

Un engrenage moléculaire pentaporphyrinique © GNS- CEMES-CNRS/UPS

A rack and pinion device at the molecular scale F. Chiaravalloti, L. Gross, K.-H. Rieder, S. M. Stojkovic, A. Gourdon, C. Joachim, F. Moresco Nature Mater. 20076, 30–33. DOI: 10.1038/nmat1802

Step by step rotation of a molecule-gear mounted on an atomic scale axis C. Manzano, W. -H. Soe, H. S. J. Wong, F. Ample, A. Gourdon, N. Chandrasekhar, C. Joachim Nature Mater. 20098, 576-579. DOI: 10.1038/nmat2467

A Train of Single Molecule-Gears W. H. Soe, S. Srivastava, C. JoachimJ. Phys. Chem. Lett., 10, 6462 (2019).

Star-shaped ruthenium complexes as prototypes of molecular gears G. Erbland, S Abid, Y. Gisbert, N. Saffon-Merceron, Y. Hashimoto, L. Andreoni, T. Guérin, C. Kammerer, G. Rapenne, Chem. Eur. J. 2019, 25, 16328-16339. DOI: 10.1002/chem.201903615

Transmitting stepwise rotation between three molecular gears on the Au(111) surface K.H.A. Yeung, T. Kühne, F. Eisenhut, M. Kleinwächter, Y. Gisbert, R. Robles, N. Lorente, G. Cuniberti, C. Joachim, G. Rapenne, C. Kammerer, F. Moresco, J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 6892-6899. DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c01747

Mechanics of molecule-gears with six long teeth W.-H. Soe, M. Kleinwächter, C. Kammerer, G. Rapenne, C. Joachim, J. Phys. Chem. C 2020, 124, 22625-22630. DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c08194

Desymmetrised pentaporphyrinic gears mounted on metallo-organic anchors S. Abid, Y. Gisbert, M. Kojima, N. Saffon-Merceron, J. Cuny, C. Kammerer, G. Rapenne, Chem. Sci. 2021, 12, 4709-4721. DOI: 10.1039/d0sc06379g

Molecular gears from solution to surfaces Y. Gisbert, S. Abid, C. Kammerer, G. Rapenne, Chem. Eur. J. 2021, 27, 12019-12031. DOI: 10.1002/chem.202101489

 

4. Nanotreuil

Chercheurs : Claire Kammerer (MCF UPS), Gwénaël Rapenne (PR UPS)

Objectif : Intégrer un moteur moléculaire dans une structure de treuil pour pouvoir mesurer son travail.

Nous avons conçu et synthétisé des prototypes de treuils moléculaires dans le but ultime d’étudier le travail effectué par un seul moteur moléculaire à base de ruthénium ancré sur une surface, en sondant sa capacité à tracter une charge lors d’une rotation directionnelle induite par une excitation tunnel inélastique. Selon une approche technomimétique, le moteur a été intégré dans une structure de treuil, avec une longue chaîne polyéthylène glycol flexible terminée par un crochet azoture permettant de connecter une variété de charges moléculaires.

Une méthode en un seul pot impliquant séquentiellement un couplage peptidique et une cycloaddition de Huisgen catalysée au cuivre a permis d’obtenir quatre nanotreuils chargés, reliés à des fragments triptycène, fullerène et porphyrine.

Dispositif expérimental envisagé pour sonder la capacité du moteur à fournir un travail : le moteur à base de ruthénium est intégré dans une structure de treuil moléculaire, permettant de tracter sur la surface une charge moléculaire (en orange) lors de la rotation unidirectionnelle de la sous-unité rotor (en bleu). © GNS- CEMES-CNRS/UPS

Modular synthesis of pentaarylcyclopentadienyl Ru-based molecular machines via sequential Pd-catalysed cross couplings Y. Gisbert, S. Abid, G. Bertrand, N. Saffon-Merceron, C. Kammerer, G. Rapenne, Chem. Commun. 2019, 55, 14689-14692. DOI: 10.1039/C9CC08384G

Divergent synthesis of molecular winch prototypes Y. Gisbert, C. Kammerer, G. Rapenne, Chem. Eur. J. 2021, 27, 16242-16249. DOI: 10.1002/chem.202103126

Chercheurs : Christian Joachim (DR CNRS), Jacques Bonvoisin (CR CNRS), Xavier Bouju (DR CNRS), Olivier Guillermet (MCF UPS),

Objectif : Faire calculer une seule molécule

Depuis le début de l’électronique moléculaire il y a 50 ans, le défi scientifique est d’arriver à faire calculer une seule molécule en lui demandant par exemple d’additionner 2 mots binaires de 2 digits chacun. On cherche alors à mesurer la puissance calcul de la molécule pour une consommation d’énergie donnée. Les problèmes technologiques lié à ce défi sont présentés dans Outils physiques et chimiques.

1. Les fils moléculaires

Dans une approche traditionnelle de l’électronique moléculaire, il faut utiliser des fils moléculaires i.e. de molécules conjuguées très longue et d’une section de van der Waals la plus petite possible capable de relier électroniquement les éléments actifs d’un circuit électronique intramoléculaire. La conductance G d’un fil moléculaire est définie que lorsque celle-ci est mise en interaction électronique modérée avec 2 nano plots métalliques et ceci à chacune de ces extrémités. Indépendamment de cette électronique mono-moléculaire semi-classique, plusieurs grands défis ont été relevés par GNS pour la physico-chimie des fils moléculaires :

(a) Le défi dingénierie quantique. Il s’agit ici de l’optimisation de la structure électronique du fil moléculaire pour qu’à basse tension de polarisation de la nano-jonction métal-molécule-métal, le taux de décroissance b de la conductance G du fil moléculaire avec la longueur L soit le plus faible possible.

Variation du taux de décroissance en fonction du produit « gap . masse effective » de l’électron tunnel pour les différentes structures chimique de fils moléculaires indiquées à droite et mesuré expérimentalement.

Les meilleurs fils moléculaires actuels ayant un écart énergétique c entre l’état fondamental électronique So et son premier état excité S1 de l’ordre de l’eV, une belle optimisation a permis d’atteindre des taux de décroissance plus faible que 0.02 nm-1. GNS s’approche donc de l’hypothétique effet supra-tunnel : un effet tunnel sans décroissance même lorsque la longueur du fil moléculaire augmente et ceci sans atteindre les états électronique So et S1, donc en restant à une très faible tension de polarisation de l’ordre de 10 mv à 100 mV. Ceci permettrait également d’éviter les effets de claquage de la nano-jonction à des tensions plus élevées.

Minimal attenuation for tunneling through a molecular wire

  1. Magoga, C. Joachim, Phys. Rev. B, 57, 1820 (1998).

Electron effective mass when tunnelling through a molecular wire

  1. Joachim, M. Magoga, Chem. Phys., 281, 347 (2002)

Decay of the molecular wire conductance with length: the role of spectral rigidity

A.Lahmidi, C. Joachim, Chem. Phys. Lett., 381, 335 (2003).

Molecular wires: guiding the super-exchange interaction between 2 electrodes

C.Joachim, M. Ratner, Nanotechnology, 15, 1065 (2004).

Molecular Electronics: Some views on transport, junctions and beyond.

  1. Joachim, M. Ratner, PNAS, 102, 8801 (2005).

Hole-Electron Quantum Tunnelling Interferences through a Molecular Junction

  1. Portais, C. Joachim, Chem. Phys. Lett., 592, 272 (2014).

Conductance of a single flexible molecular wire composed of alternating Donor and Acceptor unitsC.Nacci, F. Ample, D. Bleger, S. Hecht, C. Joachim, L. Grill, Nature Comm., 6, 7397 (2015).Single and Double Valence Configuration Interactions for recovering the exponentialdecay law while tunneling through a molecular wire.M. Portais, M. Hliwa, C. Joachim, Nanotechnology, 27, 034002 (2016). Contact Conductance of a graphene nanoribbon with its graphene nanoelectrodesS. Srivastava, H. Kino, C. Joachim, Nanoscale, 8, 9265 (2016).

(b) Le défi de synthèse chimique de longs fils moléculaires au départ en solution puis par synthèse sur surface métallique puis à la surface d’un isolant grand gap. En partant de synthons courts bien synthétisés en solution et d’une pureté extrême, la synthèse sur surface a d’abord permis d’atteindre des longueurs de molécules conjuguées inaccessible en solution comme avec la série des oligo-acènes puis les nanorubans de graphène avant d’explorer des oligomères à la structure alternées donneur-accepteur-donneur plus complexes.

Illustration du schéma de synthèse d’un long acéno-acène

Tuning the conductance of a molecular wire by the interplay of Donor and Acceptor units.

  1. Skidin, T Erdemann, S. Nikipar, F. Eisenhut, J. Kruger, F. Gunther, S. Gemming, A. Kiriy, B. Voit, D.A. Ryndyk, C. Joachim, F. Moresco, G. Cuniberti

Nanoscale, 10, 17131 (2018).

Synthesis and Absorption Properties of Long Acenoacenes

  1. Jancarik, D. Mildner, Y. Nagata, M. Banasiewicz, J. Olas, B. Kozankiewicz, J. Holec, A. Gourdon. Chem.-Eur. J., 27, 12388-12394 (2021).

Preparative-scale synthesis of nonacene

Andrej Jančařík, Jan Holec, Yuuya Nagata, Michal Šámal, André Gourdon

Nature Comm. https://rdcu.be/cELtZ (2022)

(c) Le défi de la mesure de la conductance G d’une seule molécule avec une précision pico-métrique. Le point de départ de GNS a été d’abord la nano-lithographie électronique (voir Outils Chimiques et Physiques) puis la technique des jonctions cassées. Ces approches ne sont pas assez propres au niveau atomique et ont été progressivement abandonnées par GNS pour ramener ce défi de la nano-fabrication d’une nano-jonction métal-molécule-métal à un problème de Science des surfaces à pratiquer dans l’ultravide. GNS a exploré ici toutes les façons pour amener les orbitales du dernier atome métallique de la pointe d’un STM à atteindre les orbitales moléculaires du fil moléculaire et ceci avec une précision à mieux que 10 pm: approcher la pointe verticalement de la molécule (1995), latéralement (2003) ou au contraire la rétracter en soulevant de la surface une des 2 extrémités de la molécule (2009).

Exemple de la mesure de la conductance dun long fil moléculaire en fonction de sa longueur L en utilisant à très basse température et dans lultravide la technique du tirage attrapant le fils moléculaire par une extrémité, en rétractant la pointe dune distance Z. L’autre extrémité restant sur la surface glisse progressivement tout en étant détaché de la surface unité par unité.

GNS est maintenant passé à 2 pointes STM sur son LT-UHV 4-STM dont la distance apex atomique – apex atomique peut être réduite à 60 nm en moyenne et 30 nm dans les meilleurs cas (2020) avec une incertitude de l’ordre du nanomètre. En parallèle, GNS continue de ddévelopper une technologie totalement planaire en poussant la technologie des via vers une qualité UHV de la surface avant (voir Outils Chimiques et Physiques)

 

The Electronic Transparency of a Single C60 Molecule.

  1. Joachim, J. Gimzewski, R.R. Schlittler, C. Chavy

Phys. Rev. Lett., 74, 2102 (1995).

Electron transport through a metal-molecule-metal junction.

  1. Kerguelis, J.P. Bourgoin, J.P. Pallacin, D. Esteve, C. Urbina, M. Magoga, C. Joachim

Phys. Rev. B, 59, 12505 (1999).

Probing the Probing the different stages in contacting a single molecular wire.

  1. Morecsco, L. Gross, M. Alemani, K.H. Rieder, H. Tang, A. Gourdon and C. Joachim

Phys. Rev. Lett., 91, 036601 (2003).

The conductance of a single conjugated polymer as a continuous function of its length.

  1. Lafferentz, F. Ample, H. Yu, S. Hecht, C. Joachim, L. Grill, Science, 323, 1193 (2009).

Conductance of a single narrow graphene nanoribbon at different electron energy

  1. Koch, F. Ample, C. Joachim, L. Grill, Nature Nano., 7, 713 (2012).

Imaging Single atom contact and single Atom manipulation at Low Temperature usingthe new ScientaOmicron LT-UHV 4 STM.J. Yang, D. Sordes, M. Kolmer, D. Martrou, C. Joachim, Eur. Phys. J. AP, 73, 10702 (2016).

2. Les molécules à calculs                                                                                                            

Pour GNS, le défi scientifique majeur est ici de maitriser les comportements quantiques intramoléculaire et de comprendre les conversions classique-quantique et quantique-classique afin de déterminer la meilleure architecture pour concevoir, synthétiser des molécules à calculs puis de les faire fonctionner une par une. On peut choisir :

(1) D’en rester à une architecture classique de circuit électronique où chaque molécule aurait soit le rôle d’interrupteur, de diode ou de transistor puis de les interconnecter par des fils conducteurs de section le plus faible possible pour que le circuit ainsi construit calcule par exemple de manière digitale,

(2) D’intégrer toutes ces fonctions élémentaires dans une seule et même grande molécule avec des groupements chimiques « fil moléculaire » pour les cascader et former le circuit électronique intramoléculaire qui calcule. Dans GNS, les meilleurs fils moléculaires sont développés ici par exemple à la recherche de la structure chimique d’un véritable bus quantique moléculaire ou de l’effet supra-tunnel dans une approche plus traditionnelle,

(3) De concevoir des molécules portant plusieurs qubits. On s’arrange alors à ce que de l’information quantique puisse être échangée entre ces qubits comme avec la molécule-SWAP de GNS,

(4) D’abandonner le concept de superposition dans l’espace réel de ces composants élémentaires que sont les interrupteurs, les diodes, les transistors, les qubits et les fils moléculaires. Dans l’espace de Hilbert, GNS cherche ici une autre manière de superposer les états quantiques d’une molécule pour réaliser un calcul binaire complexe. On parle alors d’états électroniques calculants et il n’y a pas besoin de diviser une molécule en qubits pour cela. Il s’agit de l’approche QHC pour « Hamiltonian Quantum Computing ».

Electronics using Hybrid- Molecular and Mono- Molecular Devices,

  1. Joachim, J.K. Gimzewski, A. Aviram, Nature, 408, 541 (2000).

Bonding more atoms together for a single molecule to compute,

  1. Joachim, Nanotechnology, 13, R1 (2002).

Quantum Design rules for single molecule logic gates

  1. Renaud, M. Hliwa, C. Joachim, Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 14404 (2011).

Pour (1), il s’agit de l’électronique moléculaire hybride où GNS a étudié un grand nombre de molécules interrupteurs i.e. dont la conductance G peut être par l’application d’un stimulus extérieur directement sur la molécule: compression de la molécule en appuyant dessus avec la pointe du STM, application d’un champs électrique, augmentation du courant tunnel ou réduction chimique de la molécule pour déclencher un changement stable de conformation sur la surface support comme présenté ci-dessous avec 2 molécules Cudbm2. Le plus souvent la conductance sous la pointe STM varie de plusieurs ordres de grandeur comme lors du passage de (a) à (b) pour la molécule Cu-dbm2 de droite sur la figure ci-dessous.

Succession d’image STM montrant la commutation réversible de deux molécules Cudbm2 à l’aide la pointe du microscope. Il s’agit de 2 molécules Bis-dibenzoylmethanato-Cu en conformation plan carré [Cu(II)dbm2](0) (image STM (a)) puis l’une en conformation tetrahédrique [Cu(I)dbm2](-1) après sa réduction et l’autre toujours en conformation plan carré (image STM (b)).

Pour ensuite construire une fonction logique Booléenne avec ces interrupteurs, il faut les connecter chacun à au moins 2 nano-électrodes conductrices elles-mêmes interconnectées sur une surface plane isolante par des fils conducteurs très courts et d’une section la plus petite possible (voir Outils Chimiques et Physiques). Comme présenté ci-dessous avec les 2 amplificateurs C60 (cercle bleu) montés en « saturé-bloqué », GNS a démontré qu’un fonction logique simple comme la porte NOR peut être construite. Il s’agit de nos jours d’une miniaturisation relativement modeste par rapport à la miniaturisation des transistors à semi-conducteurs modernes. Ces molécule-interrupteurs sont d’actualité par exemple pour explorer la limite d’énergie de commutation kTLog2 prédite par R. Landauer pour un interrupteur à 2 états stable quand sa surface support est maintenue à une température T.

Porte logique NOR conçu avec 2 amplificateurs (bleu) utilisant chacun une seule molécule de C60 et interconnectées par des fils conducteurs de section la plus faible possible avec une longueur minimale denviron 10 nm pour un fil métallique et pour une température de fonctionnement à lambiante.

 

An electromechanical amplifier using a single molecule.

  1. Joachim, J.K. Gimzewski, Chem. Phys. Lett., 265, 353 (1997).

Physical Principles of the single C60 transistor effect.

  1. Joachim, J.K. Gimzewski, H. Tang

Phys. Rev. B, 58, 16407 (1998)

Logic gates and memory cells based on single C60 electromechanical transistor.

  1. Ami, C. Joachim, Nanotechnology, 12, 44 (2001).

Controlling the Charge State of a Single Redox Molecular Switch

  1. Leoni, O. Guillermet, H. Walch, V. Langlais, A. Scheuermann, J. Bonvoisin, S. Gauthier

Phys. Rev. Lett. 106, 216103 (2011)

Mechanical conformation switching of a single pentacene molecule on Si(100)-2×1.

O.A. Neucheva, F. Ample, C. Joachim, J. Phys. Chem. C, 49, 117 (2013).

Pour (2), il s’agit de l’électronique mono-moléculaire semi-classique. On y conçoit une molécule circuit comme le ferait un électronicien en liant chimiquement dans une seule et même molécule des groupements moléculaires actifs (diode moléculaire, commutateur moléculaire et éventuellement des transistor moléculaires) en utilisant des groupement fils moléculaires. L’exemple ci-dessous est un circuit intramoléculaire utilisant dans une seule molécule 2 groupements diodes moléculaires (à gauche) et divers fils moléculaires. Cette molécule fonctionne comme une porte logique AND booléenne à 2 entrées et 1 sortie.

Exemple de la structure chimique dune molécule-circuit AND structurée autour de 2 diodes moléculaire. Cette fonction AND demande 4 nano-plots métallique (extrémité atomique indiquée en vert) (Chem. Phys. Lett.,367, 662 (2003)).

Cette approche a progressivement été abandonnée par GNS puisque pour préserver la fonctionnalité de chaque groupement moléculaire fonctionnel, il faut impérativement les lier chimiquement par des liaisons saturées ce qui limite le courant de fonctionnement à quelques pA même pour la porte AND simple donnée ci-dessus. De plus, il n’y a pas de gain en puissance possible à l’intérieur d’un tel molécule-circuit sauf à sortir le signal logique de la molécule en y connectant au bon endroit un ou plusieurs nano-plots métalliques.

 

Towards circuitry in a tunnel barrier

  1. Magoga, C. Joachim, Phys. Rev. B, 59, 16011 (1999).

Intramolecular circuits connected to N electrodes

  1. Ami, C. Joachim, Phys. Rev. B, 65, 155419 (2002).

Molecular “OR” and “AND” logic gates integrated in a single molecule,

  1. Ami, M. Hliwa, C. Joachim, Chem. Phys. Lett., 367, 662 (2003).

A Semi-classical XOR Logic gate integrated in a single molecule,

  1. Jlidat, M. Hliwa, C. Joachim, Chem. Phys. Lett., 451, 270 (2008).

A molecule OR logic gate with no molecular rectifier

  1. Jildat, M. Hliwa, C. Joachim, Chem. Phys. Lett., 470, 275 (2009).

Pour (3), il s’agit ici de faire rentrer l’électronique moléculaire dans le domaine des calculateurs quantiques avec les qubits disposés au bon endroit à ld’une même structure moléculaire. Fort de l’expérience de GNS dans le domaine du magnétisme moléculaire et des complexes à valence mixte, la structure chimique d’une molécule SWAP a été proposée. Comme présenté ci-dessous, il s’agit d’un complexe organométallique paramagnétique à bas spin de quatre centres. L’interaction de super-échange magnétique entre les 2 qubits intramoléculaires localisés sur M1 et M2 dépend de l’état d’oxydation du troisième centre M3 intermédiaire, lui-même contrôlé par un processus de transfert d’électrons d’intervalence entre les sites M3 et M4.

Structure de la molécule SWAP à 3 qubits (gauche) proposé par le groupe GNS et son principe de fonctionnement (droite).

Un système modèle a été construit à l’aide de qubits de spins intriqués dans le cadre d’un hamiltonien de spin de type Heisenberg-Dirac-Van Vleck démontrant l’opération d’échange efficace de ce complexe. GNS a démontré que cette molécule à 4 centres fonctionne comme une porte logique SWAP d’échange quantique contrôlée.

 

A controlled Quantum SWAP logic gate in a 4-Center metal complex

  1. Hliwa, J. Bonvoisin and C.Joachim

In “Architecture & Design of Molecule Logic Gates and Atom Circuits”

Springer Series: Advances in Atom and Single Molecule Machines:

Vol. II, p. 237 (2013), ISBN 978-3-642-33136-7

 

Pour (4), il s’agit de l’électronique mono-moléculaire quantique. Avec son approche QHC, GNS sait générer des graphes quantiques réalisant toutes les portes logiques à 2 entrées – 1 sortie sans qubits dont la plupart ont maintenant été vérifiées expérimentalement avec des molécules du type starphène.

Exemple de la structure chimique dune molécule porte logique booléenne QHC de première génération avec ces 2 entrées mécaniques (Chem. Phys. Lett., 452, 269 (2008)).

La deuxième génération de porte logique QHC inventée par GNS a permis d’éviter de faire passer le courant de lecture au travers toute la structure moléculaire comme c’était le cas avec la première génération illustrée ci-dessus. La mesure de la sortie logique devient alors locale. En partant du graphe quantique QHC le plus simple donné à gauche ci-dessous avec 3 états calculant, GNS est parvenu à construire des graphes plus complexes entourés de rouge ci-dessous avec en haut à droite le graphe ayant donné naissance à des circuits QHC gravés atome par atome à la surface de Si(100)H et en bas à droite le graphe QHC d’une porte ½ additionneur implantable dans une feuille de graphène.

Partant du graphe universel QHC à 3 états quantiques et 2 états de lecture les différents graphes quantiques QHC de deuxième génération amenant au ½ additionneur binaire.

GNS a démontré expérimentalement qu’une seule molécule bien conçue et utilisant à propos des effets magnétiques intramoléculaires est un additionneur QHC binaire 3 entrées-2 sorties. Il s’agit de la fonction digitale la plus complexe jamais embarquée sur une seule molécule (voir Figure ci-dessus). Avec une architecture classique, il faudrait mobiliser 14 interrupteurs ou transistors. Dans un calculateur quantique traditionnel, il faudrait mobiliser 4 qubits pour obtenir la même fonction Booléenne.

La structure moléculaire de la molécule 1,8,9,16,17,24-hexaazatrianthracène utilisée et la position de ses 3 entrées logiques à un seul atome Al. Quatre cartes LT-UHV STM dI/dV sont présentées. Elles ont été enregistrées au maximum de résonance tunnel |So> pour les 4 configurations d’entrée logiques particulières indiquées. Les résultats du calcul logique réalisées par cette porte logique molécule QHC sont mesurés en positionnant l’apex de l’une des pointes de mon LT-UHV 4-STM sur le phényl central (croix rouge) : la somme est suivie à +10 mV (la résonance Kondo) et la retenue à – 750 mV (voir hal-03412802v1 pour plus de détails). Chaque atome Al peut être manipulé indépendamment par l’apex de la pointe STM dans un mode de manipulation en mode répulsif ou attractif sur la surface Au(111) utilisée pour cette expérience.

GNS cherche maintenant à déterminer la structure moléculaire d’un additionneur complet de 2 mots binaires de 2 digits chacun et donc à comprendre les règles de monter en complexité dans l’espace de Hilbert sans cascader de portes QHC élémentaires.

 

A quantum digital half adder inside a single molecule

  1. Duchemin, C. Joachim, Chem. Phys. Lett., 406, 167 (2005).

An intramolecular digital ½ adder with a tunneling current drive and reads out

  1. Duchemin, N. Renaud, C. Joachim, Chem. Phys. Lett., 452, 269 (2008).

The design and stability of NOR and NAND logic gates constructed with only 3 quantum states.

  1. Renaud, C. Joachim, Phys. Rev. A, 78, 062316 (2008).

Manipulating molecular quantum states with classical metal atom inputs : demonstration of a

single molecule NOR logic gate.

W.H. Soe, X. Manzano, N. Renaud, P. De Mandoza, A. De Sarkar, F. Ample, M. M.Hliwa,

A.M. Echevaren, N. Chandrasekhar, C. Joachim, ACS Nano, 5 ,1436 (2011).

Realization of a Quantum Hamiltonian Computing Boolean logic gate on the Si(001):H surface.

  1. Kolmer, R. Zuzak, S. Godlewski, M. Szymonski, G. Dridi, C. Joachim

Nanoscale, 7, 12325 (2015).

The Mathematics of a QHC ½ adder Boolean Logic Gate.G. Dridi, R. Julien, M. Hliwa, C. Joachim, Nanotechnology, 26, 344003 (2015).Quantum Half-Adder Boolean Logic Gate with a Nano-Graphene molecule and Graphene electrodes.S. Srivastava, H. Kino, C. Joachim, Chem. Phys. Lett., 667, 301 (2017).

Qubits and Quantum Hamiltonian Computing Performances for Operating Digital Boolean 1/2–adder.

  1. Dridi, O. Faizy, C. Joachim, Quantum Science and Technology, 3, 025005 (2018).

Unimolecular NAND logic gate with classical input by single Au atoms.

  1. Skidin,O. Faizy, J. Krüger, F. Eisenhut, A. Jancarik, K.H Nguyen, G. Cuniberti, A. Gourdon, F. Moresco, C. Joachim, ACS Nano, 12, 1139 (2018).

Quantum Hamiltonian Computing protocols for molecular electronics Boolean logic gates

  1. Faizy, O. Giraud, B. Georgeot, C. Joachim, Quantum Science & Technology, 4, 035009 (2019).

A Tetrabenzophenazine Low Voltage Single Molecule XOR Quantum Hamiltonian Logic Gate

W.H. Soe, C. Manzano, C. Joachim, Chem. Phys. Lett., 478, 137388 (2020).

A Single Molecule Full Digital Adder

W.H. Soe, P. de Mendoza, A.M. Echavarren,, C.Joachim, J. Phys. Chem. Lett, 12, 8528–8532 (2021)

1. Chimie

Le groupe GNS dispose de 8 laboratoires de chimie (soit un total de 14 hottes) totalement équipés pour tous types de synthèses en chimie moléculaire (organique, coordination, organométallique).

Nous disposons par ailleurs d’un système électrochimique couplé à un spectromètre UV-Vis-PIR, d’un réacteur micro-ondes CEM, d’un cryostat -70°C, d’un système de chromatographie flash (SPOT 2), …

Le groupe GNS est membre de l’Institut de Chimie de Toulouse (UAR2599, https://ict.cnrs.fr) et a donc accès à sa plateforme technique (RMN, HPLC, spectrométrie de masse, cristallographie, spectroscopie Mössbauer, …)

2. Physique et process UHV

Le groupe GNS dispose pour ses expériences sur une molécule unique en mécanique et en électronique de plusieurs microscopes à effet tunnel (STM) et non-contact atomic force microscope (nc-AFM) fonctionnant en ultravide et à basse température (voir ATP).

Il dispose également d’une micro-salle blanche ultravide (DUF) où sont accessibles le long d’un tube de service ultravide de 8 m de long : une MBE, un spectromètre de masse refité en sublimateur de molécules avec filtre de masse, d’un VT-STM de Scienta-Omicron et d’un nc-AFM également de Scienta-Omicron (voir ATP). GNS a également conçu et fait construire par Scienta-Omicron un microscope à 4 STM ultravide et basse température le tout chapeauté par un microscope électronique fonctionnant dans l’ultravide. Il est opérationnel depuis mi-2015 (voir ATP) et a accueilli la première course internationale de molécule-voitures en avril 2017

La salle Blanche Pico-Lab du CEMES a été conpar GNS pour accueillir les futurs développements d’une technologie planaire et avec une précision picomde la molécule-mécanique et de l’électronique mono-moléculaire classique et quantique. Il s’agit en particulier de développer les process (voir Feuille de route process Atome Tech dans ATP):

– Puces Atome Tech (1ere Génération): Poste à poste et valise UHV (2012 – 2025)
– Puces Atome Tech (2ieme Génération): Micro-salle blanche DUF tout intégré (2020-2030)

Le groupe GNS est membre du GdR NEMO (New Molecular Electronics). Xavier Bouju en est le point de contact pour GNS (https://nemo.cnrs.fr/).

Le groupe GNS coordonne le GDR NS-CPU- (Nanoscience Champ Proche Ultravide). David Martrou en assure la direction (https://www.nanosciences-spm-uhv.com/).

A reliable scheme for fabricating sub-5 nm co-planar junction for molecular electronics

MSM Saifullah, T. Ondarcuhu, D.F. Koltsov, C. Joachim, M. Welland,

Nanotechnology, 13, 659 (2002).

UHV-STM Manipulation of Single Au nano-island on MoS2 for the construction of planar

nano interconnects, J.S. Yang, D. Jie, N. Chandrasekar, C. Joachim,

  1. Vac. Sci. Tech. B, 25, 1694 (2007).

Single molecular wires connecting metallic and insulating surface area

  1. Bombis, F. Ample, L. Lafferentz, H. Yu, S. Hecht, C. Joachim, L. Grill

Ang. Chem. Int. Ed. 48, 9966 (2009).

Multiple Atomic scale solid surface interconnects for atom circuits and molecule logic gates

  1. Joachim, D. Martrou, M. Rezeq, C. Troadec, Deng Jie, N. Chandrasekhar, S. Gauthier
  2. Phys. CM, 22, 084025 (2010).

Direct transfer of Au nano-ilslands from a MoS2 stamp to an SiH surface

  1. Deng, C. Troadec, H.K. Kim, C. Joachim
  2. Vac. Sci. Tech. B., 28, 484 (2010).

Backside Interconnect fabrication for atomic and molecular scale circuits

M.H.T. Lwin, T.N. Tun, H.H. Kim, R.S. Kajen, N. Chandrasekhar, C. Joachim

  1. Vac. Sci. Tech. B, 28, 978 (2010).

Atomic scale fabrication of dangling bond structures on hydrogen passivated Si(001)

wafers processed and nanopackaged in a clean room environment 

  1. Kolmer, S. Godlewski, R. Zuzak, M. Wojtaszek, C. Rauer, A. Thuaire, J.M. Hartmann,
  2. Moriceau, C. Joachim, M. Szymonski,, Appl. Surf. Sci., 288, 83 (2014)

 

3. Théorie et calculs

Pour comprendre comment une molécule-machine réalise la fonction envisagée par son design (pour la mécanique, le calcul comme porte logique…), des calculs et des simulations numériques sont nécessaires. Non seulement pour prévoir le comportement de la molécule mais aussi pour comparer avec les résultats expérimentaux. Ces calculs doivent prendre en compte un nombre très souvent important d’atomes des systèmes considérés (molécule + surface + pointe STM). Des méthodes semi-empiriques de type Hückel étendu sont utilisées, mais également des champs de force semi-classiques ou DFT lorsque c’est possible. Nous sommes donc amenés à réaliser des calculs de type mécanique/dynamique moléculaire pour déterminer les conformations des molécules adsorbées (ASED+, VASP, MM4), des calculs d’image STM (ESQC-EHMO) et du champ électrique dans la jonction STM, de conductance d’une molécule…

A tetrabenzophenazine low voltage single molecule XOR quantum Hamiltonian logic gate

W.-H. Soe, C. Manzano, C. Joachim

Chem. Phys. Lett. 748, 137388 (2020).

Train of Single Molecule-Gears

W.-H. Soe, S. Srivastava, and Christian Joachim

  1. Phys. Chem. Lett. 10, 6462 (2019).

Surface Vacancy Generation by STM Tunneling Electrons in the Presence of Indigo Molecules on Cu(111)

  1. J. Villagómez, F. Buendía, L. O. Paz-Borbón, B. Fuentes, T. Zambelli, and X. Bouju
  2. Phys. Chem. C 126, 14103 (2022).

Planar bridging an atomically precise surface trench with a single molecular wire on an Au(111) surface

  1. Thupakula, X. Bouju, J. Castro-Esteban, E. Dujardin, D. Peña, C. Joachim

Chem. Phys. Lett. 806, 140029 (2022).

À gauche, conformation relaxée d’une molécule d’indigo après une double impulsion de tension avec la pointe STM. Au milieu, l’image STM calculée correspondante. À droite, l’image STM expérimentale d’une seule molécule.

LES MEMBRES

PROJETS EN COURS

Réactivité contrôlée de sulfoxydes sur surfaces isolantes (CROSS)

PRC ANR 2021-2025

 

Chercheurs du CEMES: Jacques Bonvoisin (CR CNRS), Claire Kammerer (MCF UPS), Gwénaël Rapenne (PR UPS)

 

Partenaires :

– D. Madec, E. Maerten, O. Thillaye du Boullay (équipe ECOIH du LHFA, Toulouse – https://www.lhfa.cnrs.fr/index.php/equipes/ecoih)

– S. Clair, C. Loppacher, L. Nony (équipe Nanostructuration de l’IM2NP, Marseille – https://www.im2np.fr/fr/equipe-nanostructuration-nano)

 

La synthèse sur surface s’est imposée comme une approche puissante pour la formation de nouveaux nanomatériaux fonctionnels, inaccessibles par des méthodes conventionnelles de synthèse en solution. Des nanoarchitectures complexes, présentant des propriétés structurales, chimiques, optoélectroniques et magnétiques variées, ont ainsi été obtenues de manière contrôlée à partir de précurseurs moléculaires conçus spécifiquement.

Dans le domaine de la synthèse sur surface, les recherches se sont jusqu’à présent principalement focalisées sur l’assemblage de réseaux covalents mono- ou bidimensionnels par des couplages intermoléculaires. Comme en chimie conventionnelle « en solution », il serait bénéfique d’enrichir la boîte à outils de la synthèse sur surface avec de nouvelles réactivités, de manière à pouvoir effectuer in-situ des modifications fonctionnelles sur les nanostructures et ainsi permettre une modulation fine de leurs propriétés.

En outre, l’immense majorité des réactions de synthèse sur surface sont mises en œuvre sur des substrats métalliques, afin de tirer parti de leur activité catalytique et de leur compatibilité avec la microscopie à effet tunnel qui permet une caractérisation directe des produits. Les surfaces métalliques modifient toutefois considérablement les propriétés optoélectroniques des espèces adsorbées, ce qui limite la réactivité des précurseurs et la fonctionnalité des produits. Les substrats isolants apparaissent donc comme une alternative de choix pour la synthèse sur surface, permettant de sonder les propriétés optoélectroniques intrinsèques des structures nouvellement formées, en vue de leur optimisation et de futures applications.

 

Avec une approche multidisciplinaire originale combinant des études en solution et sur surfaces, le projet CROSS vise à développer de nouveaux outils pour la synthèse sur surfaces isolantes, en exploitant des sulfoxydes polaires photoactifs en tant que réactifs chimiques sacrificiels pour induire des réactions sélectives in-situ.

Contrat européen HORIZON-EIC n° 101046364

“Energy Storage in Molecule(s)” (ESiM) 2022-2026

 

Chercheurs du CEMES : Christian Joachim (DR CNRS), Xavier Bouju (DR CNRS), Olivier Guillermet (MCF UPS), David Martrou (CRN-CNRS) avec Jimmy Faria (IE CNRS)

 

Partenaires :

TU Dresden (Allemagne),

CNRS (Groupe GNS-CEMES) (France)

Centro de Fisica de Materiales, San Sébastien CSIC (Espagne)

Int. Polymers Forshung Dresde (Allemagne)

Uni. Groningen (Hollande)

Instituto de Ciencia de Materiales, Barcelone CSIC (Espagne)

 

La stratégie d’ESiM consiste à utiliser les degrés de liberté conformationnels de certaines molécule-rotors et molécule-commutateurs pour pomper de l’énergie d’une surface molécule par molécule puis de créer des réseaux moléculaires bidimensionnel pour démultiplier les effets de stockage d’énergie. Nous voulons fournir la preuve que le stockage d’énergie dans une molécule est faisable en partant une nouvelle fois à la chasse au Démon de Maxwell. Le rôle de GNS est ici de concevoir des molécule-rotors présentant un effet d’asymétrie de rotation (horaire – anti horaire) en explorant le mélange de surfaces d’énergie potentielle fondamental et excités où l’état électronique excité présente une intersection conique ou plus simplement un décalage angulaire entre le maximum du fondamental et le minimum de l’excité. Des molécules seront conçues et synthétisées par les chimistes de ESiM pour essayer de bénéficier d’une éventuelle déviation du principe de micro-réversibilité. Puis nous explorerons comment il est possible de pomper de l’énergie d’une surface puis de la stocker dans quelques degrés de liberté intramoléculaires mécaniques spécifiques. Ensuite, des couches moléculaires 2D créant des nanopores moléculaires seront développées pour stocker efficacement cette énergie en surface. Comme preuve de principe, un dispositif LT-UHV sera construit basé sur un bras de levier bimétallique pour pomper puis stocker l’énergie des molécules actives en surface de ce bras de levier.

Transport de charge dans des auto-assemblages hétérométalliques modulables composés de nanoparticules et de complexes de coordination (THERESA)

Projet collaboratif NanoX 2021-2024

 

Chercheurs du CEMES : Jacques Bonvoisin (CR CNRS), Claire Kammerer (MCF UPS), Gwénaël Rapenne (PR UPS)

 

Partenaires :

  1. Tricard, A. Pham (LPCNO, Toulouse – http://lpcno.insa-toulouse.fr/spip.php?article594&lang=fr)

 

Le projet THERESA vise à l’élaboration de matériaux hybrides structurés à l’échelle nanométrique, résultant d’auto-assemblages entre des nanoparticules ultra-petites et des entités moléculaires, puis à l’optimisation de leurs propriétés en transport de charge. L’utilisation de complexes de coordination de type porphyrine ou bisalophen (homo- ou hétérobimétalliques) permettra de moduler la polarisabilité des entités moléculaires au sein des auto-assemblages et d’exploiter leurs éventuelles propriétés de luminescence

Contrat europeén Marie Curie 895239 (RCN 228161)

« GNR Conductance » 2021-2022

 

Chercheurs du CEMES : Christian Joachim (DR CNRS)

 

Nous mesurons la conductance électronique intrinsèque d’un seul nanoruban de graphène (GNR) découplé électroniquement de sa surface support et dans une configuration totalement planaire en utilisant le LT-UHV 4-STM du groupe GNS avec 2 de ses pointes STM. Pour ce faire, on a d’abord synthétise en surface de Au(111) des 7-GNR de largeur ~ 1-2 nm et d’une longueur entre 20-50 nm mais avec un faible taux de couverture. Nous utiliserons ensuite des couches minces atomiques intermédiaires de chlorure de sodium (NaCl) pour découpler électroniquement le GNR de la surface Au(111) pendant les mesures de conductance. On déconnectera alors électriquement le substrat de la masse. La précision en z du LT-UHV 4-STM par pointe va permettre de contrôler les différents types de contact entre l’apex atomique d’une pointe et l’extrémité d’un 7-GNR en fonction de la distance pointe – 7-GNR : tunnel, van der Waals, chimique et mécanique. Pour ce faire, on enregistrera les caractéristiques I(z) courant-distance au 7-GNR. Un soin particulier est apporté par GNS à la fabrication par FIB de l’apex de chaque pointe pour atteindre une distance apex atomique apex atomique la plus faible possible (record mondial actuel 33 nm mais pas très reproductible). On pourra alors s’engager dans une potentiométrie tunnel à 3 pointes STM et réaliser des cartes de conductance différentielle dI/dV le 7-GNR étant ou non connecté.

Scanning tunneling microscopy and local electric field effect (STEFE)

Projet collaboratif NanoX 2020-2023

 

Chercheur du CEMES : Xavier Bouju (DR CNRS)

 

Partenaires :

Iann Gerber (LPCNO, INSA-Toulouse)

 

The STEFE project aims at studying, mainly theoretically, the local electric field (EF) inside a scanning-tunneling-microscope (STM) junction. This EF is usually generated by a bias voltage applied between the local probe and the metallic substrate. Due to the tip shape, a more or less strong enhancement of the EF exists beneath the apex and can modify the adsorption state of a single atom or a single molecule according to the bias voltage and the tip-surface distance. Without an atomic-scale description of the tip apex and its effects on the adsorbates, the EF effect remains unclear. We plan to rationalize the possible EF enhancement in various situations with the help of DFT calculations, as well as a N-body order method. We shall apply our numerical methodology to molecular adsorbates with an increasing complexity, starting with single atoms to complexe molecules dedicated to the NanoCar Race 2022 (NCR22).

PUBLICATIONS

Ensemble des publications du groupe GNS via Hal.

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