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纳米颗粒使分子级电子器件成为现实

发布时间:2018-09-28 访问次数:298次 来源:环球科学 分享:



上周,位于瑞士拉齐利康的IBM苏黎世研究院(IBM Research-Zurich)同巴塞尔大学(Universities of Basel)和苏黎世大学(Universities of Zurich)的研究人员们在《自然》上发表了一篇文章,宣布了一种在硅晶片上建立单分子电接触的新方法。这一进展有可能在发展传感器,甚至在将电子或光子应用于操纵单分子的方面开辟一条康庄大道。

在二十世纪七十年代中期,研究人员发现单分子具有类似于二极管的有趣的电子特性,并对其发展新的半导体技术与硅基电子器件进行竞争寄予厚望。然而,建立分子电接触仍局限于实验室。尽管使用扫描式隧道显微镜(即STM)与这些分子建立联系已经成为可能,但是这些实验要求真空和低温条件。此外,由于随着进入分子的电流变化会产生很大的变化,因此单个电子连接点仍难以复制。这些问题是到目前为止仍没有分子级电子设备能够运行的主要原因

“我们制造的设备要求或多或少是相同的,在其所处环境中稳定运行,且能被放到一个坚固的平面上,比如一片硅薄片,且需要数十亿之多,这样才可与CMOS(互补金属氧化物半导体)技术相抗衡。”IBM 的研究人员Emanuel Lörtscher说到,他同时也是《自然》上这篇论文的合著者。

为了实现这一点,研究人员首先尝试了过去曾使用过的“硅夹三明治”(sandwich-on-silicon)的方式。但是这样行不通。他们在硅片上创造了一种铂电极,并由电介质,即一种不导电的薄层所包裹。然后使用传统的刻蚀技术在该层中创造出纳米孔。他们用烷烃二硫醇(alkane-dithiol)分子溶液填充这些孔隙,这些溶液中的分子在空隙中自主成型为单层,并且形成一片平行定向的单层密置排布分子。

就像木条箱中的酒瓶底部一样,分子的一端与暴露在空隙底部的铂层相接。到目前为止,研究人员试着用薄铂层来覆盖这些纳米孔隙实现顶部的接触。但是由于分子与接触层之间距离的变化,通过这种方式获得的电接触在接触电阻(contact resistance)方面显示出极大的不稳定性。这样产生的设备无法投入使用。他们还尝试了石墨烯(graphene),但还是同样的令人失望,Lörtscher回忆到。

研究人员最终找到了一个简单而巧妙解决方法。他们的“金”点子是:在这些孔隙被自组装单分子层材料(self-assembled monolayer material , SAM)填满之后,使用金纳米颗粒覆盖孔隙中的自组装单分子层材料(SAMs)。这些纳米颗粒足够大,不会落到那些自组装分子中,足以与分子相接触且不会破坏或是改变他们的属性

“这些是自动适应分子尺寸的纳米颗粒。”论文合著者、巴塞尔大学的Marcel Mayor说到。“现在这些看起来都非常简单,但其实我们为之做了很多努力。”

研究人员在薄层表面制出约3000个纳米孔隙,每一个都填充了自组装分子。当他们测试分子对所提供电压的响应时,发现对于相同大小的孔隙,响应中的扩散非常小。尽管对于孔隙中单个分子的接触电阻也许会由于其本身的瑕疵而有所不同,但通过SAM的方法制作的样本具有一个有效的全样本平均值,Lörtscher解释到。

Mayor并不能尽言SAM的设备是否能在数据储存或交换方面与硅制设备相抗衡。因为SAM 分子的电学性质会因其他分子的存在而受到影响,因此它们在遥感应用中十分实用,他说到。“我们在多种结构上都能观察到这种特性。” Mayor说到。例如SAM分子对于pH值的变化十分敏感,而且当被暴露于特定的蒸汽或溶液中时,它们可以重新排列自身结构,或者发生膨胀。“这就是行业对这种设备的兴趣的来源之处;他们在意的是更加精准的分析设备。” Mayor说到。鲍浙南,一位斯坦福大学的材料科学家表示赞同。“与单分子可靠地接触一直以来都是个重大挑战。令人印象深刻的是他们得到了极具复现性的结果,以及导电性与分子长度的比例关系是如此美丽。他们的方法有望在未来用于制作分子存储器与电路。”她说。

然而,Youngkyoo Kim,一位韩国庆北国立大学(Kyungpook National University)的研究人员表达了将SAM设备作为传感器的保留意见:“我觉得目前的纳米颗粒和自行组装方法可以在分子设备中大规模制造电接触这一点听起来很好,但是可重复性和稳定性的表现都仍是一个巨大的障碍。就目前的设备结构来说,所有的金属电极材料(包括金属纳米粒)和SAM层都还需要被很好的封装,才能实现稳定运行。”