Dispositifs électroniques moléculaires à deux et trois bornes avec transport électronique en régime balistique

Survol

L'électronique moléculaire est basée sur l'utilisation de molécules comme éléments de circuit. Ce nouveau type de composants électroniques permet d'envisager des dispositifs extrêmement petits aux fonctions plus diverses que celles des semi-conducteurs conventionnels. Ces avantages découlent des mécanismes de transport moléculaire uniques qui interviennent à l'échelle nanométrique, notamment les mécanismes de conduction en régime balistique. Les porteurs balistiques (électrons et trous) se déplacent sans être soumis à la diffusion et possèdent un excès d'énergie par rapport à leur environnement. Ces caractéristiques peuvent être mises à profit pour obtenir certaines fonctionnalités, notamment un fonctionnement ultrarapide, l'initiation de réactions chimiques et le déclenchement d'émission de lumière.

La présente innovation repose sur la conception de dispositifs électroniques moléculaires à deux et trois bornes avec transport de charges en régime balistique. Dans toutes les réalisations, le transport balistique peut s'établir à l'intérieur d'une jonction unique faisant intervenir des liaisons carbone-carbone entre le substrat et la couche moléculaire, celle-ci pouvant adopter des structures très variées. Ce paradigme facilite l'existence d'une vaste gamme de comportements électroniques à partir d'un dispositif robuste, commercialement viable.

Transfert de technologie

Cette technologie peut être utilisée sous licence ou faire l'objet de développement supplémentaire dans le cadre d'une entente de recherche collaborative avec le Conseil nationale de recherches du Canada (CNRC). Prière de mentionner le numéro d'identification 2010-063-04 du CNRC pour faire référence à cette possibilité d'affaires.

Applications de marché

Les domaines d'application comprennent la microélectronique, l'informatique, les technologies d'imagerie et d'affichage et les capteurs chimiques. Par exemple, les porteurs de charge balistiques pourraient être utilisés pour déclencher un phénomène de luminescence et générer ainsi de la lumière de manière efficace et à des longueurs d'onde (couleurs) choisies, une technologie unique pour la photonique ou l'affichage. Les applications commerciales de cette innovation comprennent notamment les diodes à effet tunnel résonnant, les opérations nécessitant une commande de grille, la commutation à haute fréquence, les circuits logiques, les dispositifs électroluminescents, la détection chimique et la caractérisation des matériaux.

Comment ça fonctionne

La jonction moléculaire à deux bornes est constituée d'une couche moléculaire prise en sandwich à l'échelle nanométrique entre deux couches de conducteur, donnant ainsi une jonction de type conducteur-molécule-conducteur. L'épaisseur totale de la couche moléculaire est inférieure, ou approximativement égale, au libre parcours moyen d'un porteur de charge traversant le dispositif. Une fraction des porteurs passent à travers la couche moléculaire et pénètrent la deuxième couche de conducteur en régime balistique. Ces porteurs de charge conservent donc un excès d'énergie par rapport aux autres porteurs non balistiques et c'est cet excès d'énergie qui peut être utilisé pour certaines fonctions telles que l'émission de lumière ou l'initiation de réactions chimiques.

Le dispositif électronique moléculaire à trois bornes comprend deux jonctions moléculaires placées en série de manière à obtenir un empilement conducteur-molécule-conducteur-molécule-conducteur dans lequel chaque conducteur fonctionne comme une électrode séparée. L'épaisseur totale de l'ensemble des couches peut être inférieure, ou approximativement égale, au libre parcours moyen d'un porteur de charge traversant les deux couches. La conduction (ou transport) balistique peut intervenir pour une fraction de l'ensemble des porteurs de charge présents dans les trois couches, le dispositif agissant comme une lampe triode. Les matériaux utilisés pour chacune des deux couches moléculaires peuvent être optimisés pour obtenir l'effet désiré, tel qu'une transconductance élevée dans un transistor ou un effet de tunnel résonnant, en choisissant les niveaux d'énergie appropriés (comme une diode tunnel moléculaire).

Bénéfices

Cette invention permet la construction de dispositifs électroniques à partir de couches moléculaires, une approche qui diffère des conceptions actuelles et qui met en jeu un nombre élevé de matériaux. En augmentant les niveaux d'énergie des matériaux, il est possible d'obtenir une gamme de fonctionnalités plus large et de régler précisément le dispositif pour des applications particulières. De plus, en tirant parti de la conduction balistique à l'échelle nanométrique, la production de chaleur reste confinée à des zones situées à l'extérieur de l'élément actif du dispositif, ce qui devrait réduire les pertes en chaleur et faciliter la gestion du refroidissement. Les dispositifs balistiques consomment beaucoup moins d'électricité que les résistances et les transistors traditionnels. Un fonctionnement sous faible tension et à faible puissance pourrait contribuer à économiser l'énergie et à prolonger la vie des batteries. Finalement, des structures moléculaires étant déjà incorporées dans les dispositifs disponibles sur le marché, toute propriété électronique de ces nouveaux dispositifs, si elle est jugée utile, pourra facilement être activée avec les procédés et les matériaux actuellement utilisés.