Nano-composants évolutifs à base d'oxydes moléculaires pour l'informatique non conventionnelle

Evolutive nanodevices based on molecular oxides for non-conventional computing

• Auteur / Autrice : Cécile Huez
• Direction : Dominique Vuillaume, Stéphane Lenfant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Blanchard, Michel Calame, Anna Proust
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Christophe Lacroix, Maria Luisa Della Rocca

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monocouches moléculaires autoassemblées

Transport des électrons, Théorie du

Oxydoréduction

Microscopie à force atomique

Ordinateurs neuronaux

Matériaux nanostructurés

Polyoxométallates

Mots clés libres

Calcul à réservoir

Polyoxometalates

C-Afm

Reservoir Computing

Nanowires W18O49

Résumé

Les polyoxométallates (POMs) sont des oxydes moléculaires nanométriques aux propriétés redox remarquables qui peuvent être explorées dans le cadre de composants avancés. Nous proposons de développer des fonctionnalités évolutives dans des nanomatériaux 2D à base de POMs (2D-PN, 2D POM Network) "programmables/switchables" à la demande grâce aux propriétés multifonctionnelles de ces molécules (par exemple, états redox multiples). Le premier objectif est de préparer une monocouche compacte et dense de POMs sur un substrat métallique afin d'évaluer leurs propriétés de transport d'électrons (ET). Ici, nous rapportons les propriétés de transport d'électrons de deux POMs dans leurs différents états redox en utilisant des monocouches auto-assemblées (SAM) et l'AFM en mode contact. Pour les deux molécules, nous avons clairement observé une augmentation de la conductance pour les états réduits qui est liée à une diminution de l'énergie de l'orbitale moléculaire impliquée dans le transport à travers le métal/POM/métal. Ensuite, nous avons fabriqué un 2D-PN hybride multi-connecté (6 électrodes) avec deux POMs et des nanoparticules d'Au et nous avons mesuré leur ET révélant une grande variabilité dans le 2D-PN. Des mesures de bruit à basse fréquence et de génération de hautes harmoniques seront utilisées pour discuter de l'utilisation possible de ces 2D-PN dans le cadre global de l'implémentation physique d'un système de calcul à réservoir neuromorphique avec des nano-objets (CNT, nanoparticules, molécules, commutateurs atomiques). Nous synthétisons également des nanofils de W18O49 (environ μm de long et quelques dizaines de nanomètres de diamètre) et nous mesurons leur conductivité avec un STM UHV 4probes. Nous démontrons une conductivité très élevée le long du nanofil, qui surpasse les données de la littérature et une grande anisotropie de conductivité.

Polyoxometalates (POMs) are nanometric molecular oxides with remarkable redox properties that can be explored in the context of advanced components. We propose to develop scalable functionalities in 2D nanomaterials based on POMs (2D-PN, 2D POM Network) "programmable/switchable" on demand thanks to the multifunctional properties of these molecules (e.g. multiredox states). The first objective is to prepare compact and dense monolayer of POMs on a metal substrate to assess their electron transport (ET) properties. Here, we report the ET properties of two POMs in their different redox states using self-assembled monolayers (SAM) and conductive-AFM. For both molecules, we clearly observed an increase of the conductance for the reduced states which is related to a decrease of the energy of the molecular orbital involved in the transport though the metal/POM/metal. Then, we successfully fabricated multi-connected (6 electrodes) hybrid 2D-PN with two POMs and Au nanoparticles and we measured their ET revealing large variability in the 2D-PN. Low-frequency noise and high-harmonic generation measurements will be used to discuss the possible use of these 2D-PN within the global framework of the physical implementation of a neuromorphic reservoir computing system with nano-objects (CNT, nanoparticles, molecules, atomic switches). We also synthetize W18O49 nanowires (about μm long and few tens of nanometers in diameter) and we measure their conductivity with a 4probes UHV STM. We demonstrate a very high conductivity along the nanowire, which outperforms the literature data and a large conductivity anisotropy.