科学家研发出6纳米长的单分子控制开关

在过去45年中,晶体管的尺寸不断的缩小,从以前的微米级别,到现在的纳米级别,当今的智能手机芯片中包含了数十亿个硅晶体管,比如台积电等厂商已经在研究3纳米的晶体管了。越来越小的晶体管会带来一系列的问题,其中最经典的就是量子干涉。

今天我们介绍的这项研究中哥伦比亚大学的科研团队,开发了一种尺寸只有6纳米的单分子开关,其开态电流比关态电流大10000倍,是迄今为止单分子电路实现的最大电流变化。

科学家研发出6纳米长的单分子控制开关

这种单分子开关利用的是一种叫做破坏性量子干涉的新化学设计原理。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扰。他们证明了这种方法可用于在室温下生产非常稳定且可重现的单分子开关,该开关在导通状态下可承载超过0.1微安的电流。

在纳米尺度上,电子表现为波而不是粒子,并且电子会形成量子隧穿效应。像水面上的波一样,电子波可以相长干涉或相消干涉,这会导致非线性过程。例如,如果两个波相长干涉,则所得波的幅度(或高度)大于两个独立波的总和。两个波可以完全消除,并具有相消干涉。

在分子尺度上,量子力学效应主导着电子传输。长期以来,研究人员一直预测,由量子干扰产生的非线性效应应能实现具有大开关比的单分子开关。如果他们能够利用分子的量子力学特性来制造电路元件,那么它们就可以制造出更快、更小、更节能的设备,包括开关。

这种开关使得晶体管单分子元器件在微型化方面的极限,并且有潜力实现指数级更快的处理,同时降低功耗。

常见的类比是将晶体管视为管道上的阀门。阀门打开时,水流过管道。关闭时,水被阻止流通。在晶体管中,电子或电流就是管道中的水流。在接通状态下,电流流动。在关闭状态下,电流被阻止。但是实际情况中并不能实现百分百的阻止电流的流通,所以在理想情况下,导通和截止状态下的电流量必须有很大的不同。否则,晶体管就像是泄漏的管道,很难分辨阀门是打开还是关闭。由于晶体管用作开关,因此设计分子晶体管的第一步是设计一种系统,可以在导通和阻止状态之间切换电流。但是,大多数过去的设计都是通过使用短分子来制造这种开关,其中导通和截止状态之间的电流量差异并不明显。

为了克服这个问题,研究人员使用化学设计原理来创建分子回路,其中量子干扰效应可以强烈抑制处于截止状态的电流,从而减轻漏电问题。

由于短分子量子隧穿效应的可能性更大,因此很难完全切断短分子中的电流。而对于长分子而言,情况恰恰相反,在长分子中,由于隧穿概率随长度而衰减,通常很难获得高导通电流。由于长度和开关比大,而研究人员采用的设计电路是独特的,所以既可以实现高通态电流,又可以实现非常低的关态电流。

经过测试表明,这种长分子开关很容易陷入金属触点之间,从而形成单分子电路,而且这个电路非常稳定,可以反复承受施加的高电压(超过1.5V)。分子的电子结构增强了干扰效应,使电流具有明显的非线性,这是施加电压的函数,这导致导通状态电流与截止状态电流的比率非常大,完全符合设计预期。

总的来说,这种单分子开关的应用前景还是比较广泛的,在未来可以应用到更小的晶体管芯片中。

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