利用量子特性创建单分子器件

来源于：PHYS

由 哥伦比亚大学工学院

 新型的量子干扰使单分子开关具有较高的开/关比。图片来源：朱莉娅·格林瓦尔德（Julia Greenwald）和苏曼·古纳塞斯卡兰（Suman Gunasekaran）/哥伦比亚工程公司

由哥伦比亚工程教授拉萨·文卡塔拉曼（Latha Venkataraman）领导的研究人员今天报告说，他们发现了利用破坏性量子干涉的新化学设计原理。他们使用他们的方法创建了一个六纳米的单分子开关，其开态电流比关态电流大10,000倍，这是迄今为止单分子电路实现的最大电流变化。

这种新的开关依赖于迄今为止尚未探索的一种量子干涉。研究人员使用具有特殊中心单元的长分子来增强不同电子能级之间的破坏性量子干扰。他们证明了他们的方法可用于在室温下生产非常稳定且可重现的单分子开关，该开关在导通状态下可承载超过0.1微安的电流。交换机的长度类似于目前市场上最小的计算机芯片的大小，其性能接近商用交换机。该研究今天发表在《自然纳米技术》上。

劳伦斯·古斯曼应用物理学教授，化学教授，教务副教务长文卡塔拉曼说：“我们观察到跨越六纳米分子线的传输，这非常了不起，因为很少观察到跨这么长尺度的传输。” “实际上，这是我们在实验室中测量过的最长的分子。”

在过去的45年中，晶体管尺寸的不断减小使计算机处理和器件尺寸的不断缩小带来了显着的进步。当今的智能手机包含数亿个由硅制成的晶体管。但是，当前制造晶体管的方法正迅速接近硅的尺寸和性能极限。因此，如果要提高计算机处理能力，研究人员就需要开发可以与新材料一起使用的开关机制。

Venkataraman处于分子电子学的最前沿。她的实验室测量单分子设备的基本性能，试图了解纳米级物理，化学和工程学之间的相互作用。她特别希望对电子传输的基本物理学有更深入的了解，同时为技术进步奠定基础。

在纳米尺度上，电子表现为波而不是粒子，并且电子通过隧道传输。像水面上的波一样，电子波可以相长干涉或相消干涉。这导致非线性过程。例如，如果两个波相长干涉，则所得波的幅度（或高度）大于两个独立波的总和。两个波可以完全消除，并具有相消干涉。

Venkataraman指出：“电子表现为波的事实是量子力学的本质。”

在分子尺度上，量子力学效应主导着电子传输。长期以来，研究人员一直预测，由量子干扰产生的非线性效应应能实现具有大开/关比的单分子开关。如果他们能够利用分子的量子力学特性来制造电路元件，那么它们就可以实现更快，更小，更节能的设备，包括开关。

Venkataraman说：“使晶体管由单分子制成代表了微型化的终极极限，并且具有在降低功耗的同时实现指数级更快处理的潜力。” 制造稳定且能够承受重复开关周期的单分子器件是一项艰巨的任务。我们的结果为制造单分子晶体管铺平了道路。”

常见的类比是将晶体管视为管道上的阀门。阀门打开时，水流过管道。关闭时，水被堵塞。在晶体管中，水流被电子或电流所代替。在接通状态下，电流流动。在关闭状态下，电流被阻止。理想情况下，导通和截止状态下的电流量必须有很大的不同；否则，晶体管就像是泄漏的管道，很难分辨阀门是打开还是关闭。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一种系统，您可以在此系统中在导通和截止状态之间切换电流。但是，大多数过去的设计都是通过使用短分子来制造泄漏晶体管的，其中导通和截止状态之间的差异并不明显。

为了克服这个问题，Venkataraman和她的团队面临许多障碍。他们的主要挑战是使用化学设计原理来创建分子回路，其中量子干扰效应可以强烈抑制处于截止状态的电流，从而减轻泄漏问题。

研究的主要作者朱莉娅·格林瓦尔德（Julia Greenwald）解释说：“由于在较短的长度尺度上进行量子机械隧穿的可能性较大，因此很难完全关闭短分子中的电流。” Venkataraman实验室的学生。“对于长分子，情况恰恰相反，在长分子中，由于隧穿概率随长度而衰减，通常难以获得高导通电流。我们设计的电路因其长度和开/关比大而独特；我们现在能够既可以实现高导通电流又可以实现非常低的截止电流。”

Venkataraman的团队使用由合作者Peter Skabara，拉姆齐化学教授的化学合成的长分子和他在格拉斯哥大学的团队合成了自己的设备。长分子很容易陷入金属触点之间，从而形成单分子电路。电路非常稳定，可以反复承受高施加电压（超过1.5 V）。分子的电子结构增强了干扰效应，使电流具有明显的非线性，这是施加电压的函数，这导致导通状态电流与截止状态电流的比率非常大。

研究人员正在继续与格拉斯哥大学的团队合作，以研究他们的设计方法是否可以应用于其他分子，并开发出一种可以通过外部刺激来触发转换的系统。

格林瓦尔德说：“我们建立一个单一分子的开关是朝着使用分子构件自下而上设计材料的第一步。” “用单分子作为电路组件来构建电子设备将是真正的变革。”

这项研究的标题是“通过破坏性量子干扰在单分子结上的高度非线性传输”。

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