Dans le domaine du magnétisme moléculaire, la conception de dispositifs ayant des applications technologiques à l’échelle nanométrique – informatique quantique, spintronique moléculaire, refroidissement magnétique, nanomédecine, stockage d’informations à haute densité, etc. – nécessite ces molécules magnétiques qui sont placées sur la surface pour préserver leur structure, leur fonctionnalité et leurs propriétés. Maintenant, un article publié dans la revue Examens de la chimie de coordination analyse les connaissances les plus récentes sur les processus de dépôt et d’organisation des molécules magnétiques sur les surfaces (nanostructuration), processus déterminant pour l’évolution des technologies qui impliquent une miniaturisation des moteurs et un fonctionnement plus efficace dans les dimensions nanométriques.
L’étude – signée par les chercheurs Carolina Sañudo, Guillem Gabarró-Riera et Guillem Aromí, du Groupe de magnétisme et de molécules fonctionnelles de la Faculté de chimie et de l’Institut de nanosciences et de nanotechnologie de l’Université de Barcelone (IN2UB) – décrit le scénario global de l’avancée de la recherche dans ce domaine, et il propose de nouvelles voies pour faire avancer l’organisation en deux dimensions (2D) des molécules magnétiques, au regard de ses applications technologiques.
L’article comprend des recommandations pour sélectionner la meilleure méthode de dépôt pour chaque molécule, une revue des surfaces utilisées dans ces procédés, ainsi que des lignes directrices pour une caractérisation efficace et des perspectives futures basées sur des matériaux bidimensionnels. De plus, les auteurs fournissent une nouvelle perspective critique sur la manière, dans un futur proche, d’atteindre l’application efficace des systèmes moléculaires dans un dispositif pour obtenir une technologie plus rapide en utilisant moins d’énergie.
Nanosciences moléculaires et matériaux magnétiques
Dans le processus de sélection de la méthode de dépôt supérieure sur les surfaces pour chaque molécule magnétique, nous devons considérer chaque molécule et sa structure, ainsi que la surface et la structure dont elle dispose. « Le choix de la meilleure méthode dépend du système, mais il sera toujours possible de trouver une combinaison appropriée pour déposer les systèmes moléculaires », note la conférencière Carolina Sañudo, du Département de chimie inorganique et organique de l’UB.
« Les protocoles varient dans chaque cas et la première étape consiste à déterminer les caractéristiques souhaitées de la surface », poursuit-elle. « Par exemple, si nous voulons étudier la spintronique, nous aurons besoin d’une surface conductrice. Une fois la surface et sa nature déterminées, il est indispensable de déterminer l’anisotropie de forme de la molécule en regardant sa structure cristalline, ses propriétés… peut-il se sublimer ? peut-il se dissoudre ? dans quels solvants ? — et points d’ancrage potentiels — a-t-il des groupes fonctionnels qui permettent la chimisorption, et si ce n’est pas le cas, quelles sont les options de physisorption ? Sinon, quelles sont les physisorptions Une fois que nous avons tous ces détails, nous pouvons concevoir un protocole de dépôt. Par exemple, si notre molécule a un groupe de soufre disponible, nous pouvons l’ancrer par chimisorption sur une surface d’or (Au). Si la molécule peut subir une sublimation, nous peut le faire par évaporation », conclut-elle.
Appareils électroniques plus petits et plus efficaces
La synthèse de nouvelles molécules avec de meilleures propriétés est un processus imparable, « mais la stabilité ne va pas toujours de pair avec les propriétés magnétiques. À l’heure actuelle, la molécule avec la température de blocage T la plus élevée – en dessous de laquelle la molécule se comporte comme un aimant – est extrêmement instable. En particulier, il s’agit d’un composé organométallique, ce qui rend très difficile (voire impossible) sa pose en surface ou son utilisation dans un dispositif technologique.
Pour améliorer la conception des molécules magnétiques et obtenir des processus de dépôt de surface plus efficaces, la stabilité des nouveaux aimants monomoléculaires organométalliques (SMM) doit être améliorée si l’on veut les utiliser efficacement. D’autre part, les molécules magnétiques qui ne sont pas de si bons SMM ou qui sont des bits quantiques (qubits), ou des molécules qui ont des transitions électroniques autorisées par le spin, ont des caractéristiques qui les rendent très difficiles à utiliser – en raison du manque ou de la faible anisotropie dans leur forme ou de multiples fonctions d’ancrage permettant des dépôts divers de la molécule sur la surface.
« Pour éviter cela, il faut faire avancer l’organisation des molécules D2. Par exemple, en formant des matériaux organométalliques bidimensionnels (MOF) dont le nodule est la molécule, et en déposant les nanocouches déjà implicitement ordonnées sur une surface. Un MOF 2D, où chaque nodule est un qubit, nous permettrait d’obtenir un tableau de qubits ordonnés sur une surface. C’est un défi très important et certains groupes comme le nôtre y travaillent », explique le chercheur.
La réduction de la consommation d’énergie des dispositifs technologiques est un autre objectif de la technologie de dépôt en surface. « Les appareils conçus – poursuit-elle – peuvent avoir une très faible consommation d’énergie si nous avons un appareil qui stocke des informations dans SMM, ou si nous utilisons des qubits dans une matrice 2D parfaitement ordonnée, ou un système avec une transition électronique activée par rotation – activé molécules sur une surface par la spintronique moléculaire. De plus, ils seraient plus rapides et plus miniaturisés que les dispositifs actuels.
Dans ce domaine, la synthèse de composés inorganiques a généré des molécules magnétiques capables de fonctionner à des températures proches de l’azote liquide, « et cela a été une avancée majeure », explique le chercheur. Des technologies telles que la microscopie à effet tunnel (STM) et la microscopie à force atomique (AFM) à pointes fonctionnalisées sont les techniques qui ont permis d’identifier la position des molécules sur la surface. En particulier, l’AFM avec des pointes fonctionnalisées peut devenir une technique très utile pour caractériser les molécules de surface.
« La découverte qu’une couche d’oxyde de magnésium (MgO) de quelques nanomètres est nécessaire pour découpler la molécule de la surface afin de maintenir les propriétés moléculaires une fois la molécule déposée est une avancée majeure. Il convient également de mentionner le revêtement de grandes surfaces. par des monocouches de molécules à haut pourcentage d’ordre, car l’arrangement de la molécule sur la surface de différentes manières peut produire des interactions différentes et, par conséquent, empêcher toutes les molécules de conserver leurs propriétés.Ces deux points sont cruciaux pour le développement futur de dispositifs basés sur l’utilisation de molécules déposées sur des surfaces », explique Carolina Sañudo.
Molécules magnétiques : les défis du futur
Pour l’instant, obtenir des SMM à des températures élevées ou synthétiser des qubits avec des temps de relaxation (T1) et des temps de cohérence (T2) plus longs qui facilitent l’utilisation dans des dispositifs plus grands, est un défi pour les chimistes. Pouvoir obtenir de grandes surfaces recouvertes de monocouches de molécules égales et ordonnées représentera également un progrès très pertinent, et ce défi inclut la caractérisation. Pour cette raison, l’application de techniques de lumière synchrotron – telles que GIXRD, HAXPES et XMCD – sera essentielle.
« Afin d’atteindre cet ordre des molécules à la surface, le groupe de magnétisme et de molécules fonctionnelles de l’UB envisage d’utiliser des MOF 2D, c’est-à-dire des polymères de coordination qui s’étendent en deux dimensions et sont constitués de couches extrêmement fines empilées par les forces de Van der Waals. Notre équipe souhaite également relever d’autres défis, comme mesurer les temps de relaxation T1 et T2 pour un qubit déposé sur une surface et confirmer qu’ils maintiennent (ou améliorent) les valeurs mesurées », conclut le chercheur.