可通過量子特性來研究

由哥倫比亞工程教授拉薩·文卡塔拉曼(Latha Venkataraman)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員今天報告說，他們發(fā)現(xiàn)了利用破壞性量子干涉的新化學(xué)設(shè)計原理。他們使用他們的方法創(chuàng)建了一個六納米的單分子開關(guān)，其開態(tài)電流比關(guān)態(tài)電流大10,000倍，這是迄今為止單分子電路實現(xiàn)的大電流變化。

這種新的開關(guān)依賴于迄今為止尚未探索的一種量子干涉。研究人員使用具有特殊中心單元的長分子來增強不同電子能級之間的破壞性量子干擾。他們證明了他們的方法可用于在室溫下生物試劑非常穩(wěn)定且可重現(xiàn)的單分子開關(guān)，該開關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)下可承載超過0.1微安的電流。交換機的長度類似于目前市場上小的計算機芯片的大小，其性能接近商用交換機。該研究今天發(fā)表在《自然納米技術(shù)》上。

勞倫斯·古斯曼應(yīng)用物理學(xué)教授，化學(xué)教授，教務(wù)副教務(wù)長文卡塔拉曼說：“我們觀察到跨越六納米分子線的傳輸，這非常了不起，因為很少觀察到跨這么長尺度的傳輸。” “實際上，這是我們在實驗室中測量過的長的分子。”

在過去的45年中，晶體管尺寸的不斷減小使計算機處理和器件尺寸的不斷縮小帶來了顯著的進(jìn)步。當(dāng)今的智能手機包含數(shù)億個由硅制成的晶體管。但是，當(dāng)前制造晶體管的方法正迅速接近硅的尺寸和性能極限。因此，如果要提高計算機處理能力，研究人員就需要開發(fā)可以與新材料一起使用的開關(guān)機制。

Venkataraman處于分子電子學(xué)的-前沿。她的實驗室測量單分子設(shè)備的基本性能，試圖了解納米級物理，化學(xué)和工程學(xué)之間的相互作用。她特別希望對電子傳輸?shù)幕疚锢韺W(xué)有更深入的了解，同時為技術(shù)進(jìn)步奠定基礎(chǔ)。

在納米尺度上，電子表現(xiàn)為波而不是粒子，并且電子通過隧道傳輸。像水面上的波一樣，電子波可以相長干涉或相消干涉。這導(dǎo)致非線性過程。例如，如果兩個波相長干涉，則所得波的幅度(或高度)大于兩個獨立波的總和。兩個波可以*消除，并具有相消干涉。

Venkataraman指出：“電子表現(xiàn)為波的事實是量子力學(xué)的本質(zhì)。”

在分子尺度上，量子力學(xué)效應(yīng)主導(dǎo)著電子傳輸。長期以來，研究人員一直預(yù)測，由量子干擾產(chǎn)生的非線性效應(yīng)應(yīng)能實現(xiàn)具有大開/關(guān)比的單分子開關(guān)。如果他們能夠利用分子的量子力學(xué)特性來制造電路元件，那么它們就可以實現(xiàn)更快，更小，更節(jié)能的設(shè)備，包括開關(guān)。

Venkataraman的團(tuán)隊使用由合作者Peter Skabara，拉姆齊化學(xué)教授的化學(xué)合成的長分子和他在格拉斯哥大學(xué)的團(tuán)隊合成了自己的設(shè)備。長分子很容易陷入金屬觸點之間，從而形成單分子電路。電路非常穩(wěn)定，可以反復(fù)承受高施加電壓(超過1.5 V)。分子的電子結(jié)構(gòu)增強了干擾效應(yīng)，使電流具有明顯的非線性，這是施加電壓的函數(shù)，這導(dǎo)致導(dǎo)通狀態(tài)電流與截止?fàn)顟B(tài)電流的比率非常大。

研究人員正在繼續(xù)與格拉斯哥大學(xué)的團(tuán)隊合作，以研究他們的設(shè)計方法是否可以應(yīng)用于其他分子，并開發(fā)出一種可以通過外部刺激來觸發(fā)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。

格林瓦爾德說：“我們建立一個單一分子的開關(guān)是朝著使用分子構(gòu)件自下而上設(shè)計材料的第-一步。” “用單分子作為電路組件來構(gòu)建電子設(shè)備將是真正的變革。”

這項研究的標(biāo)題是“通過破壞性量子干擾在單分子結(jié)上的高度非線性傳輸”。

Venkataraman說：“使晶體管由單分子制成代表了微型化的終-極極限，并且具有在降低功耗的同時實現(xiàn)指數(shù)級更快處理的潛力。” 制造穩(wěn)定且能夠承受重復(fù)開關(guān)周期的單分子器件是一項艱巨的任務(wù)。我們的結(jié)果為制造單分子晶體管鋪平了道路。”

常見的類比是將晶體管視為管道上的閥門。閥門打開時，水流過管道。關(guān)閉時，水被堵塞。在晶體管中，水流被電子或電流所代替。在接通狀態(tài)下，電流流動。在關(guān)閉狀態(tài)下，電流被阻止。理想情況下，導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)下的電流量必須有很大的不同;否則，晶體管就像是泄漏的管道，很難分辨閥門是打開還是關(guān)閉。由于晶體管用作開關(guān)，因此設(shè)計分子晶體管的第-一步是設(shè)計一種系統(tǒng)，您可以在此系統(tǒng)中在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間切換電流。但是，大多數(shù)過去的設(shè)計都是通過使用短分子來制造泄漏晶體管的，其中導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間的差異并不明顯。

為了克服這個問題，Venkataraman和她的團(tuán)隊面臨許多障礙。他們的主要挑戰(zhàn)是使用化學(xué)設(shè)計原理來創(chuàng)建分子回路，其中量子干擾效應(yīng)可以強烈抑制處于截止?fàn)顟B(tài)的電流，從而減輕泄漏問題。

研究的主要作者朱莉婭·格林瓦爾德(Julia Greenwald)解釋說：“由于在較短的長度尺度上進(jìn)行量子機械隧穿的可能性較大，因此很難*關(guān)閉短分子中的電流。” Venkataraman實驗室的學(xué)生。“對于長分子，情況恰恰相反，在長分子中，由于隧穿概率隨長度而衰減，通常難以獲得高導(dǎo)通電流。我們設(shè)計的電路因其長度和開/關(guān)比大而*;我們現(xiàn)在能夠既可以實現(xiàn)高導(dǎo)通電流又可以實現(xiàn)非常低的截止電流。”