Nouveaux composés pour des composants électroniques aux propriétés sous contrôle
Dans le cadre d’une collaboration internationale regroupant dix équipes de recherche, des scientifiques du Centre de recherche Paul Pascal et de l'Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (CNRS/Université de Bordeaux), montrent comment ajuster chimiquement la structure électronique d'un matériau pour contrôler ses propriétés physiques de conduction électrique et magnétique. Ces travaux, publiés dans la revue Nature Communications, ouvrent la voie à la conception de nouvelles générations de matériaux métalliques pour la micro-électronique et à terme, potentiellement, supraconducteurs.
Les composants moléculaires à base de métaux pressentis pour intégrer nos équipements électroniques miniaturisés doivent présenter des propriétés magnétiques et de conduction électrique parfaitement contrôlées. Leur capacité à être semi-conducteurs, conducteurs voire isolants, tout en présentant des propriétés magnétiques remarquables, en fait de très bon candidats pour l’intégration à de futurs dispositifs en vue d’applications en spintronique. C’est pourquoi chimistes et physiciens s’attachent à comprendre le rôle précis des paramètres physico-chimiques à l’origine des propriétés magnétiques et de conduction électrique. Prenons par exemple les matériaux de coordination MCl2(pyrazine)2 (Figure) qui ont la particularité d’être bidimensionnels et de posséder de fortes interactions métal-ligands ce qui exacerbe les propriétés électroniques recherchées. Dans cette famille, pourquoi le composé à base de chrome, semi-conducteur, devient-il isolant lorsque l’on remplace cet ion par du vanadium et conducteur lorsqu’on choisit le titane, bien qu’ils aient tous les trois la même structure ?
En combinant l'analyse de la conductivité électrique, de la magnétorésistance, des propriétés magnétiques, de la chaleur spécifique, et des calculs de fonctionnelle de la densité (DFT), les scientifiques du Centre de recherche Paul Pascal et l'Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (CNRS/Université de Bordeaux) montrent que dans le cas du vanadium, les ligands pyrazine servent simplement de médiateurs à des interactions fortes entre les électrons sur les ions V(II) qui restent localisés sur chaque centre métallique. En revanche, pour le titane, ils mettent en évidence le transfert d'un électron entre l'ion Ti(II) et les deux ligands pyrazine, au cours de la synthèse. Pour cette raison, le TiCl2(pyrazine)2 devient alors conducteur, et présente même la conductivité électrique la plus élevée jamais observée parmi les solides de coordination à base de métaux en coordination octaédrique.
Ces travaux montrent comment le choix de l'ion métallique M, dans une série de matériaux iso-structuraux, permet de contrôler finement leurs propriétés physiques, de conduction électrique mais aussi magnétique. A plus long terme, ils ouvrent la voie à la conception de nouvelles générations de matériaux métalliques potentiellement supraconducteurs.
Rédacteur : CCdM
Référence
Panagiota Perlepe, Itziar Oyarzabal, Laura Voigt, Mariusz Kubus, Daniel N. Woodruff, Sebastian E. Reyes-Lillo, Michael L. Aubrey, Philippe Négrier, Mathieu Rouzières, Fabrice Wilhelm, Andrei Rogalev, Jeffrey B. Neaton, Jeffrey R. Long, Corine Mathonière, Baptiste Vignolle, Kasper S. Pedersen et Rodolphe Clérac
From an antiferromagnetic insulator to a strongly correlated metal in square-lattice MCl2(pyrazine)2 coordination solids
Nature Communications 2022