利用量子特性创造单分子器件 - 电路长度仅需6纳米

新型量子干扰使单分子开关具有高开/关比。

哥伦比亚团队因量子干扰而发现6纳米长的单分子电路，具有巨大的开/关比;发现可以实现更快，更小，更节能的设备。

研究人员，由哥伦比亚工程教授Latha Venkataraman，今天报道，他们已经发现了一种新的化学设计原则，用于利用破坏性量子干扰。它们使用它们的方法来创建六纳米单分子开关，其中开启状态电流大于截止状态电流的10,000倍 - 迄今为止对单分子电路实现的最大电流变化。

此新交换机依赖于尚未探讨此类量子干扰，已探讨此目的。研究人员使用具有特殊中央单元的长分子来增强不同电子能量水平之间的破坏性量子干扰。他们证明，它们的方法可用于在室温下生产非常稳定和可重复的单分子开关，其可以在导通状态下携带超过0.1微安的电流。交换机的长度类似于市场上的最小计算机芯片的大小，其属性方法是商业交换机的特性。该研究今天发表于自然纳米技术。

“我们观察到六纳米分子线的运输，由于很少观察到这种长长的长度尺度的运输，因此劳动力的理学教授，化学教授和教师事务副竞技教授的Venkataraman。“事实上，这是我们在我们实验室中衡量的最长的分子。”

在过去的45年中，晶体管尺寸的稳定降低使计算机处理和缩小设备尺寸的剧烈改善。今天的智能手机含有数亿晶体管由硅制成。然而，当前制造晶体管的方法正在快速接近硅的尺寸和性能限制。因此，如果要提前计算机处理，研究人员需要开发可与新材料一起使用的切换机制。

Venkataraman处于分子电子的最前沿。她的实验室测量单分子器件的基本性质，寻求了解物理，化学和工程的相互作用。她特别有兴趣获得对电子运输基本物理学的更深入了解，同时为技术进步奠定了基础。

在纳米级，电子表现为波而不是颗粒，并且电子传输通过隧道发生。就像水面上的波浪一样，电子波可以建设性地干扰或破坏性地干扰。这导致非线性过程。例如，如果两个波建设性地干扰，所得波的幅度（或高度）大于两个独立波的总和。两个波可以完全取消破坏性干扰。

“电子像波浪所表现的事实是量子力学的本质，”Venkataraman指出。

在分子尺度，量子力学效应支配电子传输。研究人员长期预测，量子干扰产生的非线性效应应使单分子开关具有大的开/关比。如果它们可以利用分子的量子力学性能来制造电路元件，它们可以实现更快，更小，更节能的设备，包括开关。

“将单个分子中的晶体管表示小型化方面的最终限制，并且有可能在降低功耗的同时使得能够更快地加工，”Venkataraman说。“制造稳定且能够维持重复切换周期的单分子器件是非琐碎的任务。我们的结果为制作单分子晶体管铺平了道路。“

共同的类比是将晶体管思考在管道上的阀门。当阀门打开时，水流通过管道。关闭时，水被阻挡。在晶体管中，用电子流或电流替换水流。在导通状态下，电流流动。在断开状态下，电流被阻止。理想情况下，在开启和离子中流动的电流量必须非常不同;否则，晶体管就像一个泄漏的管道，在那里难以判断阀门是否打开或关闭。由于晶体管用作开关，因此设计分子晶体管的第一步是设计系统，您可以在其中切换在out状态之间的电流。然而，大多数过去的设计通过使用短分子产生了泄漏的晶体管，其中on-and-und-and-und-nation之间的差异并不重要。

为了克服这一点，Venkataraman和她的团队面临了一些障碍。它们的主要挑战是使用化学设计原理来创造分子电路，其中量子干扰效应可能强烈抑制了偏离状态的电流，从而减轻了泄漏问题。

“由于较短长度尺度的量子机械隧穿的概率更大的概率，难以完全关闭电流流动”研究的领先作者Julia Greenwald，Venkataraman实验室的博士学位。“对于长分子，逆转是真的，在那里通常难以实现高导通电流，因为隧道概率衰减长度。我们设计的电路由于其长度及其大的开/关比而设计是独一无二的;我们现在能够实现高导通电流和非常低的离子电流。“

Venkataraman的团队使用由Collaborator Peter Skabara，Ramsay Chatry of Chemistry的Collaborator Skabara合成的长分子创建了他们的设备，以及他在格拉斯哥大学的集团。长分子易于在金属触点之间捕获以产生单分子电路。电路非常稳定，可以重复维持高施加的电压（超过1.5V）。分子的电子结构增强了干扰效应，使电流的明显非线性作为施加电压的函数，这导致导通电流与断开状态电流的非常大的比率。

研究人员继续与Glasgow大学的团队合作，看他们的设计方法是否可以应用于其他分子，并开发一个系统可以通过外部刺激触发开关的系统。

“我们建立一个分子的切换是使用分子构建块自下而上的材料设计的非常激动人心的步骤，”Greenwald表示。“建立具有作为电路元件的单分子的电子设备将是真正的变革性。”

参考：Julia E. Greenwald，Joseph Cameron，Neil J. Findlay，天伦·福，苏丹Gunasekaran，彼得J.Skabara和Latha Venkataraman，2020年12月7日，2020年12月7日，自然纳米技术，Julia Joseph Cameron，Joseph Cameron，Joseph Cameron。 ：
10.1038 / s41565-020-00807-x

该研究得到了国家科学基金会（NSF）研究生研究奖学金DGE-1644869，NSF授予Che-1764256，NSF DMR-1807580，工程和物理科学研究委员会（EPSRC）授予EP / P02744X / 2和EP / N035496 / 2 。