1. Une électronique moléculaire

« Ce que le vrai physicien seul sait voir, c’est le lien qui unit plusieurs faits dont l’analogie est profonde, mais cachée. »

    Henri Poincaré (1854-1912)

La miniaturisation en micro-électronique du silicium tend vers l’extrême : elle se rapproche progressivement de la taille de la molécule. Les trajectoires de l’électronique et de la chimie sont à présent convergentes :

• la première, pour devoir utiliser des systèmes dont la taille se réduit ;

• la seconde, pour produire des molécules de synthèse complexes, aux fonctions spécifiques.

Une technologie alternative est apparue : l’électronique moléculaire. Une nouvelle approche du problème est apparue : la recherche des capacités de traitement de l’information par le regroupement de molécules organiques. En fait, deux objectifs et deux formes de transfert :

• la fonction de transfert proprement dite, au sens du signal ;

• le transfert électronique, au sens du matériau.

Dans le premier cas, il s’agit d’un transfert d’électrons ou de particules plus lourdes (certains ions), voire de particules immatérielles (énergie). Un transfert qui équivaut à un faible courant électrique, comme dans un composant classique.

Dans le deuxième cas, il s’agit un transfert électronique directionnel afin de réaliser des diodes à l’échelle moléculaire. Les molécules polarisées, obtenues par greffage d’un groupe donneur d’électrons et d’un groupe accepteur d’électrons, répondent à la question.

2. L’échelle moléculaire

Un ordre chronologique à trois niveaux : macroscopique, mésoscopique, moléculaire.

1. Échelle macroscopique : celle que nous connaissons, venue des années 1940 et très vite aux années 1970. Les techniques de lithographie et de dépôts de couches minces conditionnent la taille des composants susceptibles d’être réalisés avec ces matériaux (micro-boîtiers de transistors).

2. Échelle macroscopique : c’est le domaine des assemblages de molécules. Par couches ultra-minces, on effectue des groupements de molécules différentes aux fonctions spécifiques comme les dispositifs de traitement de l’information véhiculée par voie ionique (capteurs sélectifs à certains types d’ion).

3. Échelle moléculaire : une fonction simple est réalisée par une seule molécule, une super-molécule coordonnant à son tour plusieurs fonctions : il s’agit là d’un véritable traitement moléculaire.

3. Composants à l’échelle moléculaire

L’objectif est de transmettre des signaux entre super molécules distantes, ce qui impose des contraintes aux fils moléculaires :

• contenir une chaîne conduisant les électrons (ou les ions) ;

• posséder des groupes terminaux électro-actifs et polaires qui permettent des échanges d’électrons (ou d’ions) avec les super-molécules ;

• être assez longs pour permettre la traversée d’une structure.

3.1. Première fonction de base à maîtriser : l’interface

Les problèmes de connectique sont ici accrus, plus particulièrement :

• non adhésion des contacts métalliques sur les contacts moléculaires ;

• diffusion non désirée (à l’inverse du contact) ; ceci sur une profondeur telle que la fonction même du composant risque d’être modifiée.

3.2. Deuxième fonction de base à maîtriser : l’adressage

C’est la façon dont on peut expérimentalement perturber et étudier une molécule unique. On sait qu’il existe deux types d’adressage : spatial et fréquentiel :

1. Adressage spatial :

   Pour le stockage de l’information, le matériau moléculaire photosensible est déposé sur un substrat. L’écriture et l’effacement sont effectués par un faisceau laser, de même que la lecture, qui ne doit perturber, en aucune manière, le message écrit.

2. Adressage fréquentiel (Hole Burning) :

   On utilise une substance dont le spectre d’absorption, étroit, est élargi dans le cadre d’une matrice solide. Le matériau est alors irradié dans un domaine fréquentiel suffisamment étroit pour n’affecter que les molécules qui, de par leur environnement, absorbent la longueur d’onde du rayonnement.

   Un trou est ainsi créé dans le spectre d’absorption et peut être conservé à condition que le matériau soit placé à basse température. La densité d’information est alors fixée par la résolution spectrale.

4. Perspectives pour les télécommunications

À court et moyen termes, les matériaux moléculaires pourraient conduire à des dispositifs très intéressants. Nous citerons deux exemples : l’oscillateur paramétrique et le modulateur de phase.

1. Oscillateur paramétrique

   Le champ d’action est très vaste : sources multi-longueurs d’onde, transpositeurs de longueur d’onde, amplification optique à bas bruit avec la manipulation et la génération d’impulsions optiques subpicoseconde.

   L’émission paramétrique résulte d’un processus d’interaction non linéaire de trois faisceaux lumineux : un rayon laser incident et scindé, dans le milieu actif, en deux faisceaux continument accordables sur une grande plage de longueur d’onde, en fonction de paramètres simples comme l’angle d’incidence du faisceau d’entrée sur le milieu actif(effet de biréfringence) ou une tension appliquée sur ce milieu actif (effet électro-optique)

2. Modulateur de phase

   Il résulte de l’exploitation de l’hybridation entre polymères et semi-conducteurs.

   Les polymères possèdent de fortes susceptibilités optiques non-linéaires. L’hybridation peut conduire à des systèmes conjugués à forte délocalisation d’électrons, facilement polarisables, ayant des temps de réponse aux excitations électriques ou optiques quasiment instantanés.

   On peut ainsi obtenir de très hautes fréquences de modulation.

5. Sources bibliographiques

• Rapport de conjoncture, Paris, 1993
  CNRS

• Pour la science
  (numéro spécial, novembre 1995)

• Journal du groupe de recherche en électronique moléculaire
  CNRS (n° 5609, 1990)

• Journal of molecular electronics
  (Janvier – mars 1988)

• L’électronique moléculaire, perspective en traitement de l’information
  Observatoire français des techniques (Masson, 1988)

• Molecular Electronic Devices
  F.L. Carter (1982)

• Vers une électronique moléculaire
  J.P. Launay (État des Sciences et Technique, La Découverte, FPH, 1991)

• À l’aube des super-molécules
  A. Collet (État des Sciences et Technique, La Découverte, FPH, 1991)

• L’aube de l’électronique moléculaire
  A. Barraud, O. Khan, J.P. Launay (Science et Technologie, n° 15, Paris, 1989)

• Molécules organiques et traitement du signal optique
  J.Zyss, I. Ledoux (Écho des recherches, CNET n° 127, 1988)