利用量子特性制造单分子器件

由哥伦比亚工程学教授莱莎文卡塔拉曼领导的研究人员今天报告说，他们发现了一种使用破坏性量子干涉的新化学设计原理。他们用他们的方法创造了一个6纳米的单分子开关，其中开电流比关电流大10000多倍。

这种新的开关依赖于迄今为止尚未探索过的量子干涉。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涉。他们证明了他们的方法可以用于在室温下产生非常稳定和可重复的单分子开关，在导通状态下可以携带超过0.1微安的电流。交换机的长度和目前市场上最小的电脑芯片大小差不多，性能接近商用交换机。这项研究发表在今天的《自然纳米技术》。

劳伦斯古兹曼大学应用物理和化学教授、学术事务副院长温卡塔拉曼说：“我们观察到了六条纳米分子线之间的传输，这非常了不起，因为很少观察到如此长规模的传输。”。"事实上，这是我们在实验室测量的最长的分子."

在过去的45年里，晶体管尺寸的稳步减小使计算机处理和设备尺寸的缩小有了显著的改善。今天的智能手机包含数亿个由硅制成的晶体管。然而，目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，如果要促进计算机处理，研究人员需要开发可用于新材料的转换机制。

文卡塔拉曼处于分子电子学的前沿。她的实验室测量单分子设备的基本特性，试图在纳米尺度上理解物理、化学和工程的相互作用。她特别感兴趣的是了解电子传输的基本物理，为技术进步打下基础。

在纳米尺度上，电子以波而不是粒子的形式出现，通过隧穿发生电子传输。像水面上的波浪一样，电子波可以相长干涉，也可以相消干涉。这导致了一个非线性过程。例如，如果两个波相长干涉，产生的波的振幅(或高度)大于两个独立波的总和。这两种波可以通过相消干涉完全抵消。

温卡塔拉指出，“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输运。研究人员早就预言，量子干涉引起的非线性效应应该能够实现大开/关比的单分子开关。如果他们能利用分子的量子力学特性制造电路元件，就能实现更快、更小、更节能的器件，包括开关。

文卡塔拉曼说：“制造单分子晶体管代表了小型化的极限，在降低功耗的同时，有可能实现指数级的更快处理。”“制造能够维持重复开关周期的稳定单分子器件是一项非同寻常的任务。我们的成果为单分子晶体管的制造铺平了道路。”

一个常见的类比是把晶体管想象成管道上的阀门。当阀门打开时，水流过管道。关闭时，水被堵塞。在晶体管中，水流被电子流或电流所取代。在接通状态下，电流流动。在关闭状态下，电流被阻断。理想情况下，在开和关状态下流动的电流量必须非常不同；否则，晶体管就像一根漏水的管子，很难判断阀门是打开还是关闭。由于晶体管充当开关，设计分子晶体管的第一步是设计一个系统，在这个系统中，你可以在开和关状态之间切换电流。然而，大多数过去的设计通过使用短分子来产生泄漏晶体管，其中开和关状态之间的差异并不显著。

为了克服这个问题，文卡塔拉曼和她的团队遇到了许多障碍。他们的主要挑战是利用化学设计原理创建分子电路，其中量子干涉效应可以强烈抑制关态电流，从而减少泄漏问题。

该研究的主要作者朱莉娅格林沃尔德博士解释说：“因为量子力学隧穿更有可能发生在较短的长度范围内，所以很难完全关闭短分子中的电流。”文卡塔拉实验室的一名学生。“对于长分子来说，情况正好相反，因为隧道概率随长度衰减，所以通常很难达到高导通电流。我们设计的电路是独一无二的，因为它的长度和大的开/关比。我们现在可以实现高通电流和极低的关态电流。”

文卡塔拉曼的团队使用拉姆齐化学公司的同事兼董事长彼得斯卡巴拉和他在格拉斯哥大学的团队合成的长分子制造了他们的设备。长分子很容易被捕获在金属触点之间，从而形成单分子电路。电路非常稳定，能反复承受高外加电压(1.5 V以上)。分子的电子结构增强了干涉效应，使得作为外加电压函数的电流具有明显的非线性，导致了非常大的开态电流与关态电流之比。

研究人员正在继续与格拉斯哥大学的团队合作，看看他们的设计方法是否可以应用于其他分子，并开发一种可以通过外部刺激触发开关的系统。

“从单个分子构建开关是使用分子构建模块自下而上设计材料的一个非常令人兴奋的步骤，”格林沃尔德说。"用单分子作为电路元件来制造电子设备将是一个真正的改变."

这项研究的标题是“通过破坏性量子干涉跨单分子结的高度非线性传输”。