Sources d'électrons orbitales moléculaires

Sources d'électrons orbitales moléculaires
Sources d'électrons orbitales moléculaires - Figure : Vue d'artiste de l'émission d'électrons à travers les orbitales d'une molécule C60. JST PRESTO

Un appareil capable de contrôler des électrons individuels avec une précision inférieure au nanomètre et à la femtoseconde pourrait être le dernier petit appareil électronique développé. Dans la nanoélectronique sous vide, où les électrons voyagent dans le vide d'un émetteur à l'échelle nanométrique à l'électrode cible, d'énormes progrès ont été réalisés dans le contrôle des processus électroniques ultrarapides au cours des dernières décennies.

Structure électronique des solides

Hirofumi Yanagisawa de l'Agence japonaise pour la science et la technologie et ses collègues ont fait des progrès significatifs vers un contrôle spatial optimal en utilisant des orbitales d'une seule molécule pour contrôler l'émission d'électrons. Bien que cette méthode donne la possibilité de créer des émetteurs d'électrons hautement ordonnés, elle améliore également notre connaissance de la fonction des orbitales moléculaires dans la structure électronique des solides.

Études sur l'émission d'électrons

Déterminer le point auquel les électrons émanent de l'émetteur est crucial pour obtenir un contrôle extraordinaire sur l'émission d'électrons. Une méthode consiste à mouler physiquement le matériau de l'émetteur pour créer le motif de points souhaité. Mais faire cela à l'échelle inférieure au nanomètre présenterait des défis importants en matière de matériaux et de fabrication. Au lieu de cela, Yanagisawa et ses collègues ont montré que c'est une idée brillante de rediriger les électrons pour l'émission en utilisant la structure électronique innée d'une molécule. Le diagramme d'émission est essentiellement filtré spatialement par des orbitales moléculaires.

Les recherches de l'équipe s'articulent autour de deux axes principaux où des progrès significatifs ont été réalisés ces dernières années. L'un se concentre sur l'étude de la dynamique des électrons femto- et attosecondes et le développement de sources d'électrons ultrarapides, comme en témoigne la démonstration en 2006 d'un contrôle spatial précis sur les impulsions d'électrons femtosecondes via l'émission d'une pointe métallique à l'échelle nanométrique. La seconde est l'étude des schémas d'émission d'électrons à partir de structures moléculaires et à l'échelle nanométrique. Les exemples incluent des conceptions représentant des architectures de nanotubes et de pointes de nanofils qui changent à mesure que la pointe évolue pendant la croissance des nanotubes. Yanagisawa et ses collègues ont combiné des techniques d'émission ultrarapide et de microscopie d'émission, montrant que les schémas d'émission peuvent être étroitement liés à certaines orbitales chimiques.

Études orbitales moléculaires

Les scientifiques ont recouvert une pointe de tungstène d'une couche de molécules de C60 (également appelées "buckyballs"). Des molécules de C60 individuelles ont émergé de la couche et ont émis des électrons du réservoir de tungstène sous-jacent lorsqu'elles ont été exposées à un champ électrique puissant. Lorsque le modèle d'émission a été projeté sur un écran de phosphore, des modèles tels que des points, des anneaux, des croix ou des modèles "à deux feuilles" sont apparus qui reflétaient presque les symétries spatiales des orbitales moléculaires vides de C60 à travers lesquelles les électrons passaient dans le chemin d'émission. Sur la base de calculs utilisant la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), les chercheurs ont pu reproduire ces modèles.

Yanagisawa et ses collègues ont d'abord observé des modèles d'émission sous un champ électrique puissant, puis ont considérablement affaibli le champ pour éviter l'émission induite par le champ, et ont plutôt utilisé des impulsions laser pour éclairer la pointe afin de créer une émission de photoélectrons à deux photons. Lorsque l'émission de photoélectrons s'est produite, l'énergie d'excitation à deux photons a poussé les électrons au-dessus du niveau de Fermi lorsqu'ils traversaient une orbitale C vide près du niveau de Fermi du réservoir de tungstène, contrairement à l'émission induite par le champ. Les électrons ont reçu un coup de pouce supplémentaire, leur permettant de traverser une nouvelle orbitale moléculaire vacante à plus haute énergie. Les chercheurs ont découvert que le modèle d'émission change en conséquence lors de la commutation entre l'émission de champ et la photoémission.

Ces résultats appuient donc fortement l'idée que l'énergie d'excitation détermine les orbitales chimiques que les électrons traverseront avant de quitter la molécule C60. De plus, conformément à cette découverte, ils ont montré que même des changements spontanés dans le schéma d'émission lors d'une émission en champ pur peuvent être attribués à l'ouverture de nouvelles orbitales moléculaires à utiliser comme voies d'émission à la suite de petits déplacements de la molécule causés par la chaleur. énergie.

La structure électronique sous-jacente d'une molécule a été utilisée pour démontrer le contrôle spatial sous-nanométrique de l'émission d'électrons, ouvrant la voie à une nouvelle méthode fascinante pour créer des sources d'électrons avec des propriétés d'émission précises et souhaitables. Contribuant au développement de l'industrie électronique dans la première moitié du XXe siècle, les dispositifs à vide sont toujours très importants dans les applications à grande vitesse et à haute puissance, car les électrons se déplacent librement dans le vide. Les dispositifs électroniques sous vide à l'échelle nanométrique deviennent de plus en plus souhaitables à mesure que la technologie à semi-conducteurs devient plus difficile à réduire. Il sera fascinant d'observer l'avancement des travaux en cours. Le moment de l'émission et le bruit dans le flux d'émission seront-ils affectés par l'orientation sur certaines orbitales chimiques ? Quels effets cela aura-t-il sur les propriétés électro-optiques ?

Peut-on obtenir des résultats similaires avec d'autres structures moléculaires – les nanotubes de carbone viennent-ils tout de suite à l'esprit ? De nombreuses applications sont possibles, notamment les transistors à vide, les réseaux d'émetteurs d'électrons hautement cohésifs et les accélérateurs de bureau.

Indépendamment de ces effets futurs potentiels, le travail lui-même est fascinant. Nous sommes conscients des interactions fortes entre les électrons. La fonction d'onde multicorps est la pierre angulaire de la représentation précise de tout système, qu'il s'agisse d'une molécule, d'un élément à l'échelle nanométrique ou d'une masse macroscopique. Les orbitales moléculaires, qui sont des fonctions à un seul électron, sont utilisées en DFT parce que leur validité est approximative, mais parce qu'elles sont mathématiquement et intuitivement pratiques.

Il est heureux que la DFT et même de simples modèles à un seul électron aient réussi à décrire avec précision une grande variété de systèmes matériels, mais ce succès ne doit pas être tenu pour acquis. Par exemple, les matériaux fortement corrélés nécessitent parfois des manipulations plus complexes ou au moins des corrections aux résultats du modèle à un seul électron. Les travaux de Yanagisawa et al nous donnent un accès visuel direct aux orbitales DFT dans une molécule, soutenant davantage l'idée de fonctions d'onde à un seul électron de manière empirique.

Source : physics.aps.org/articles/v16/35

 

📩 09/03/2023 11:06

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