量子奇怪引發(fā)了新的電子產(chǎn)品

如今，正在開(kāi)發(fā)具有獨(dú)特性能的新型電子設(shè)備。隨著超小型化的不斷發(fā)展，研究人員開(kāi)始探索在分子尺度上發(fā)生的物理和化學(xué)特性的交叉。英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)注意到半導(dǎo)體技術(shù)的驚人進(jìn)步，他提出每年芯片上的晶體管數(shù)量將增加一倍，這一觀察結(jié)果自1965年他提出索賠以來(lái)就已經(jīng)誕生。盡管如此，摩爾不太可能擁有預(yù)見(jiàn)到目前正在進(jìn)行的電子革命的范圍。

如今，正在開(kāi)發(fā)出具有獨(dú)特性能的新型設(shè)備。隨著超小型化的不斷發(fā)展，研究人員開(kāi)始探索在分子尺度上發(fā)生的物理和化學(xué)特性的交叉。

這一快節(jié)奏領(lǐng)域的進(jìn)步可以改進(jìn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息處理設(shè)備，并有助于開(kāi)發(fā)分子開(kāi)關(guān)等創(chuàng)新。

Nongjian“NJ”Tao和他的合作者最近描述了一系列通過(guò)單分子進(jìn)行電導(dǎo)的研究。以這種無(wú)限小的規(guī)模創(chuàng)造電子產(chǎn)品提出了許多挑戰(zhàn)。在極小的世界中，量子世界的獨(dú)特屬性占據(jù)主導(dǎo)地位。在這里，作為電流流動(dòng)的電子表現(xiàn)得像波一樣，并且受到稱為量子干涉的現(xiàn)象的影響。操縱這種量子現(xiàn)象的能力可以幫助打開(kāi)具有不尋常特性的新型納米電子器件的大門(mén)。

“我們感興趣的不僅是測(cè)量單個(gè)分子中的量子現(xiàn)象，還要控制它們。這使我們能夠理解分子系統(tǒng)中的基本電荷傳輸并研究新的器件功能，”Tao說(shuō)。

Tao是生物電子學(xué)和生物傳感器生物設(shè)計(jì)中心的主任。在“自然材料”雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，來(lái)自日本，中國(guó)和英國(guó)的陶和同事概述了當(dāng)一股電流通過(guò)微小結(jié)構(gòu)時(shí)，一個(gè)有機(jī)分子懸浮在一對(duì)電極之間的實(shí)驗(yàn)。

研究人員通過(guò)分子探索電荷傳輸特性。他們證明了電子的幽靈般的波狀特性 - 稱為量子干涉 - 可以在分子的兩種不同配置中精確調(diào)制，稱為Para和Meta。

事實(shí)證明，量子干涉效應(yīng)可以引起分子級(jí)器件的電導(dǎo)特性的顯著變化。通過(guò)控制量子干涉，該組顯示單個(gè)分子的電導(dǎo)可以微調(diào)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。精確和連續(xù)地控制量子干涉被視為未來(lái)開(kāi)發(fā)高速和低功率的大范圍分子級(jí)電子器件的關(guān)鍵因素。

這種單分子器件可能充當(dāng)晶體管，導(dǎo)線，整流器，開(kāi)關(guān)或邏輯門(mén)，并可能進(jìn)入未來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域，包括超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)，量子加密和量子計(jì)算。

對(duì)于目前的研究，使用了可以出現(xiàn)在不同構(gòu)型中的分子 - 環(huán)狀碳?xì)浠衔?，因?yàn)樗鼈兪怯糜谀M分子電子學(xué)行為的最簡(jiǎn)單和最通用的候選者，并且是觀察量子干涉效應(yīng)的理想選擇。納米尺度。

為了探測(cè)電荷通過(guò)單個(gè)分子的方式，進(jìn)行了所謂的斷裂連接測(cè)量。測(cè)試涉及使用掃描隧道顯微鏡或STM。研究中的分子在金底物和STM裝置的金尖端之間保持平衡。STM的尖端反復(fù)進(jìn)入和脫離與分子的接觸，在電流通過(guò)每個(gè)端子時(shí)斷開(kāi)和重整結(jié)。

記錄了數(shù)千個(gè)電導(dǎo)與距離跡線，用于實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)分子的特定分子特性改變了通過(guò)結(jié)的電子流。“Para”構(gòu)型的分子顯示出比“Meta”形式的分子更高的電導(dǎo)值，表明分子中的構(gòu)造性和破壞性量子干涉。

使用稱為電化學(xué)門(mén)控的技術(shù)，研究人員能夠連續(xù)控制電導(dǎo)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。過(guò)去，改變量子干涉特性需要修改用于器件的電荷攜帶分子。目前的研究標(biāo)志著單個(gè)分子中電導(dǎo)調(diào)節(jié)的第一次。

正如作者所指出的那樣，分子尺度的電導(dǎo)受到涉及分子電子軌道的量子干涉的敏感影響。具體而言，最高占據(jù)分子軌道或HOMO與最低未占分子軌道或LUMO之間的干擾似乎是單分子中電導(dǎo)的主要決定因素。使用電化學(xué)柵極電壓，可以精細(xì)地調(diào)整分子中的量子干涉。

研究人員能夠在理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間表現(xiàn)出良好的一致性，表明HOMO和LUMO對(duì)電導(dǎo)的貢獻(xiàn)對(duì)于Para分子是累加的，導(dǎo)致相長(zhǎng)干涉，對(duì)Meta進(jìn)行減色，導(dǎo)致破壞性干擾，就像波浪一樣。根據(jù)它們的相位，水可以結(jié)合形成更大的波浪或相互抵消。

雖然先前已經(jīng)進(jìn)行了通過(guò)單分子的電荷傳輸?shù)睦碚撚?jì)算，但實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不得不等待納米技術(shù)，掃描探針顯微鏡以及形成分子與金屬表面的電功能連接的方法的許多進(jìn)步?，F(xiàn)在，由于能夠通過(guò)操縱量子干涉巧妙地改變電導(dǎo)，分子電子學(xué)領(lǐng)域可以進(jìn)行廣泛的創(chuàng)新。