Nanoelectronics

La micro-électronique est le premier débouché industriel pour les producteurs d’or, notamment parce que l'or permet de réaliser des contacts stables dans le temps. Et dans le cas de la nano-électronique, l'or a-t-il aussi ce statut particulier ? Comment se comportent les contacts à l'échelle de quelques atomes ou à l'échelle de la molécule ?

Les nanoparticules d’or ont certainement un rôle à jouer dans les progrès scientifiques en électronique. Les technologies de la microélectronique ont développé l’art de contrôler les courants électriques pour transmettre des signaux binaires et donc de l’information. C’est le cœur du fonctionnement de nos ordinateurs et nos smartphones. La clef des évolutions futures réside dans notre capacité à miniaturiser toutes ces fonctions de traitement de l’information et minimiser leurs consommations d’énergie. Dans cette course technologique, les nanoparticules apparaissent comme des conducteurs ultimes en termes de taille. Même si aujourd’hui, il n’est pas certain que les futurs micro-processeurs utiliseront des nanoparticules d’or, ces nanoparticules sont des objets quasi-idéaux pour étudier les phénomènes de transfert des charges électriques à des échelles bien plus petites.

Les mécanismes fondamentaux de la conduction à la surface d'une nanoparticule

Fig. 1. Image de microscopie STM d’une double jonction tunnel constituée d’un substrat de silicium, d’une couche moléculaire, d’une AuNP et de la pointe d’un STM. La conductance (c’est-à-dire la dérivée du courant) laisse voir les électrons traversant un à un ce dispositif. A une température de 40K, ce courant présente des marches de 10 pA et qui sont apparaissent comme des pics sur la courbe de la conductance.

Par exemple, on peut connecter des réseaux de nanoparticules par des molécules bien choisies. Les nano-courants électriques véhiculés par ces assemblages nanométriques adoptent de nouveaux comportements. Ce sont des comportements quantiques où les particules sont des « nano-réservoirs » à électrons, si petits qu’ils permettent de contrôler un courant électrique, électron par électron. Ce phénomène est appelé « blocage de Coulomb ». Ainsi, il peut être envisagé une électronique avec les plus faibles courants imaginables, comme une miniaturisation ultime. La Figure 1 montre l’évolution de la conductance (la dérivée du courant) à travers une nanoparticule d’or. Un des objectifs est de réaliser des transistors à un électron : le courant serait constitué d’une succession d’électrons uniques traversant la nanoparticule à la queue leu-leu.

Les électrons chauds

Dans une expérience conventionnelle de transport électronique, les électrons de conduction ont une énergie proche de celle du niveau de Fermi, et ils sont faiblement perturbés par rapport à leur état d’équilibre. Les électrons chauds au contraire, sont excités fortement au-dessus du niveau de Fermi : soit via une jonction tunnel (STM), soit par une onde optique, des faisceaux d’électrons, etc. Les électrons chauds correspondent à des états excités dont la durée de vie est finie, de l’ordre de quelques dizaines de femto-secondes. Ils sont très minoritaires devant les électrons non perturbés et se thermalisent rapidement. Ils sont donc difficiles à détecter. 

La manière la plus courante d'exciter des électrons chauds est d'utiliser l'interaction avec des photons, via une excitation lumineuse. Cette interaction génère alors des photo-électrons qui donnent lieu à une large gamme d'effets (Fig 2) qui intéressent fortement les physiciens actuellement.

Fig 2. Quelques effets provoqués par des électrons chauds quand ils sont excités par des photons dans un matériau.

Plasmonique et électrons chauds

La plasmonique est une voie pour amplifier l’effet des électrons chauds du fait du phénomène de résonance qu’elle engendre. Ainsi dans les AuNPs, les électrons chauds ont des durées de vie qui dépassent largement la dizaine de fs (jusqu'à la ps) et ils ne sont plus forcément minoritaires. Les nano-systèmes hybrides (métal/semi-conducteur) impliquant des nanoparticules d'or présentent également un grand intérêt à l'heure actuelle puisqu'ils sont à l'origine de la "plexitonique" qui mêle plasmons et excitons. L'étude et l'utilisation de leur propriétés optiques n'en sont à leurs débuts, et ce nouveau type d'objets présente également des liens forts avec les électrons chauds évoqués précédemment puisqu'ils permettent d'étudier l'injection d'électrons chauds du métal (via l'excitation du plasmon) dans la sous-partie semi-conductrice du nano-système.


Pour aller plus loin