可通過(guò)量子特性來(lái)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(bào)告說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)了利用破壞性量子干涉的新化學(xué)設(shè)計(jì)原理。他們使用他們的方法創(chuàng)建了一個(gè)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(shí)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(zhǎng)分子來(lái)增強(qiáng)不同電子能級(jí)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(guò)0.1微安的電流。交換機(jī)的長(zhǎng)度類似于目前市場(chǎng)上小的計(jì)算機(jī)芯片的大小，其性能接近商用交換機(jī)。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(zhǎng)文卡塔拉曼說(shuō)：“我們觀察到跨越六納米分子線的傳輸，這非常了不起，因?yàn)楹苌儆^察到跨這么長(zhǎng)尺度的傳輸。” “實(shí)際上，這是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中測(cè)量過(guò)的長(zhǎng)的分子。”

在過(guò)去的45年中，晶體管尺寸的不斷減小使計(jì)算機(jī)處理和器件尺寸的不斷縮小帶來(lái)了顯著的進(jìn)步。當(dāng)今的智能手機(jī)包含數(shù)億個(gè)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(jì)算機(jī)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(jī)制。

Venkataraman處于分子電子學(xué)的-前沿。她的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量單分子設(shè)備的基本性能，試圖了解納米級(jí)物理，化學(xué)和工程學(xué)之間的相互作用。她特別希望對(duì)電子傳輸?shù)幕疚锢韺W(xué)有更深入的了解，同時(shí)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(guò)隧道傳輸。像水面上的波一樣，電子波可以相長(zhǎng)干涉或相消干涉。這導(dǎo)致非線性過(guò)程。例如，如果兩個(gè)波相長(zhǎng)干涉，則所得波的幅度(或高度)大于兩個(gè)獨(dú)立波的總和。兩個(gè)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(shí)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(zhǎng)期以來(lái)，研究人員一直預(yù)測(cè)，由量子干擾產(chǎn)生的非線性效應(yīng)應(yīng)能實(shí)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(lái)制造電路元件，那么它們就可以實(shí)現(xiàn)更快，更小，更節(jié)能的設(shè)備，包括開關(guān)。

Venkataraman的團(tuán)隊(duì)使用由合作者Peter Skabara，拉姆齊化學(xué)教授的化學(xué)合成的長(zhǎng)分子和他在格拉斯哥大學(xué)的團(tuán)隊(duì)合成了自己的設(shè)備。長(zhǎng)分子很容易陷入金屬觸點(diǎn)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(guò)1.5 V)。分子的電子結(jié)構(gòu)增強(qiáng)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(duì)合作，以研究他們的設(shè)計(jì)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(guò)外部刺激來(lái)觸發(fā)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。

格林瓦爾德說(shuō)：“我們建立一個(gè)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(jì)材料的第-一步。” “用單分子作為電路組件來(lái)構(gòu)建電子設(shè)備將是真正的變革。”

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

Venkataraman說(shuō)：“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(shí)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)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(xiàng)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(shí)，水流過(guò)管道。關(guān)閉時(shí)，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(dòng)。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(jì)分子晶體管的第-一步是設(shè)計(jì)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(guò)去的設(shè)計(jì)都是通過(guò)使用短分子來(lái)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(gè)問題，Venkataraman和她的團(tuán)隊(duì)面臨許多障礙。他們的主要挑戰(zhàn)是使用化學(xué)設(shè)計(jì)原理來(lái)創(chuàng)建分子回路，其中量子干擾效應(yīng)可以強(qiáng)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(shuō)：“由于在較短的長(zhǎng)度尺度上進(jìn)行量子機(jī)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(shí)驗(yàn)室的學(xué)生。“對(duì)于長(zhǎng)分子，情況恰恰相反，在長(zhǎng)分子中，由于隧穿概率隨長(zhǎng)度而衰減，通常難以獲得高導(dǎo)通電流。我們?cè)O(shè)計(jì)的電路因其長(zhǎng)度和開/關(guān)比大而*;我們現(xiàn)在能夠既可以實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)通電流又可以實(shí)現(xiàn)非常低的截止電流。”