Couches moleculaires electroactives à conductivité ionique pour l'électronique moleculaire – REMIND

REMIND propose de développer des films organiques ultraminces multifonctionnels à conductivité mixte électronique et ionique et de les utiliser dans des dispositifs émergents tels que définis dans la roadmap de l’ITRS. Il cible des briques de base utilisées dans des domaines à forte valeur ajoutée en amont des composants nano-électroniques et nano-électro-ioniques. Il aborde des questions fondamentales soulevées par l’électrochimie dans les nano-dispositifs à l’état solide, basés sur des semi-conducteurs moléculaires.

Nous proposons d'explorer les nouveaux concepts qui s’appliquent lorsque l'épaisseur des films organiques dans ces dispositifs se situe dans la gamme 5-20 nm. En effet en-dessous de 5 nm d’épaisseur, le transport électronique se fait essentiellement par effet tunnel non résonnant tandis qu'au-dessus de 20 nm, le transport électronique s’appuie sur des sauts inter-moléculaires thermiquement activés. La gamme 5-20 nm étant beaucoup plus petite que celle qui intervient dans les dispositifs de l’électronique organique conventionnelle, le transport électronique étudié dans REMIND aura lieu sur des distances nanométriques, proches de la taille des porteurs de charges dans les matériaux organiques, essentiellement via des phénomènes intramoléculaires. En conséquence, le transport se fera presque sans activation thermique et pourra être ultrarapide. Comme cette gamme d'épaisseur est par ailleurs supérieure à l’épaisseur des dispositifs qui se basent sur du transport tunnel non résonnant, le transport sera également réellement moléculaire et beaucoup plus sensible aux propriétés structurales et électroniques des molécules constituant la couche.

En créant des films moléculaires multifonctionnels d’épaisseur 5-20 nm et en exploitant, les phénomènes qui ne sont pas disponibles avec le silicium ou dans les dispositifs électroniques organiques, i.e. des événements redox et le mouvement ultrarapide d'ions sur des très courtes distances dans ces couches ultraminces, nous cherchons donc à fournir des composants électroniques à faible coût et à faible consommation d'énergie pour, en particulier, des fonctions de rectification et de mémoire non volatile.

Le procédé de fabrication des couches organiques utilisées dans REMIND est basé sur le l'électro-greffage radicalaire utilisant la réduction électrochimique de sels de diazonium. Il s’agit d’une technologie clé qui permet de créer des couches organiques très robustes permettant l'évaporation directe de différents métaux sur la couche organique greffée afin de fabriquer l'électrode supérieure par des procédés compatibles avec la microélectronique. L'utilisation de ces couches robustes permet de s’affranchir de l’utilisation des monocouches moléculaires auto-assemblées (SAMs), largement étudiées par de nombreux groupes, mais incapables de résister à l’évaporation directe de métaux. Le projet se démarque donc clairement des projets utilisant des SAMs. Il se démarque également de ceux qui étudient des molécules individuelles en raison des problèmes importants de reproductibilité de ce type de systèmes.

L'approche proposée est donc basée sur une plate-forme électronique moléculaire qui se concentre sur des films minces robustes et s’attaque aux principales limites de cette thématique scientifique (robustesse, variabilité...). Cette approche est "manufacturable" à grande échelle et tolère les contraintes (notamment de de température) de la microélectronique. L'effort proposé représente une étape majeure qui s’éloigne de l’électronique moléculaire « classique » paradoxalement peu sensible aux molécules utilisées, et développe une électronique moléculaire « originale » qui exploite des phénomènes redox en phase solide et représente un atout majeur vers le développement d’une nouvelle électronique hybride réaliste.