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化工行业

分子电子学:未来电子器件小型化的关键或将是聚合物!

时间:2019-06-04来源:未知浏览次数:

导读

据日本东京工业大学官网近日报道,该校与筑波大学的科学家们证明了聚合物在制造单分子电子器件方面扮演着关键角色,也使我们将纳米器件革命推向了新的境界。

背景

如今,小型化成为了电子器件最重要的发展趋势之一,电子元器件的设计尺寸已缩小至纳米级别。“摩尔定律”指出:“当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。”

摩尔定律-集成电路芯片上晶体管数量(1976-2016)(图片来源:维基百科)

但是近年来,摩尔定律似乎正在面临严峻挑战,芯片上晶体管的尺寸缩小与数量增加的速度正在放缓。因此,我们迫切需要新的技术来继续推进电子设备小型化。

早在上世纪七十年代,科学家们就提出用分子取代电线来构造电路。经过几十年发展,这项技术渐趋成熟,形成了一个新的前沿科技领域:分子电子学。

可精准控制的分子晶体管(图片来源:美国海军研究实验室)

分子电子学研究的是分子水平上的电子学,其目标是用单个分子、超分子或分子簇代替硅基半导体晶体管等固体电子学元件组装逻辑电路,乃至组装完整的分子计算机。

在硅芯片上建立分子电气触点(图片来源:IBM苏黎世研究院)

基于石墨烯的分子电子器件(图片来源:Alexander Rudnev/瑞士伯尔尼大学)

创新

日本东京工业大学科学院副教授 Tomoaki Nishino 领导的科研团队也在分子电子学领域展开探索,他们正研究的是单分子器件。

Nishino 解释道:“终极的小型化有望通过分子电子器件实现。在分子电子学领域,单分子被作为功能元件使用。”

技术

然而,正如你所料想的,通过单分子创造电子元器件并不是一项简单的任务。由单分子组成的功能器件非常难以制造。更进一步说,包含它们的接触点(电气触点)寿命较短,这样使得它们难以应用。研究团队基于之前的工作推断出,一种形成聚合物的长链单体(单分子),相对于比较小的分子来说,表现得更好。

为了证明这个想法,他们采用了一项称为“扫描隧道显微镜(STM)”的技术。在这项技术中,尾端是单原子的金属针尖用于测量极小的电流,以及当针尖在目标表面(如下图所示)上与一个原子或者多个原子创造出电气接触点时的电流波动。

由STM针尖与聚合物创造出的单分子接触点(图片来源:东京工业大学)

团队通过STM创造出由针尖与一个称为“poly(vinylpyridine)”的聚合物或者它对应的单体“4,4'-trimethylenedipyridine”组成的电气触点,“4,4'-trimethylenedipyridine”被认为是聚合物的成分之一。研究人员们通过测量这些接触点的导电特性,试图证明聚合物可用于制造单分子器件。

可是为了进行分析,团队必须首先设计一种算法,使他们可以通过STM测量到的电流信号,提取出他们所感兴趣的量。简单地说,它们的算法使他们可以自动检测和计算出来自针尖与目标表面随着时间变化的电流信号中的小的稳定期。这个稳定期表明,在针尖和表面上的单分子之间创造出了一个稳定的导电接触点。

价值

研究团队采用这个方法,分析了通过聚合物及其对应的单体创造出的接触点上所获取的结果。他们发现,作为电子元器件来说,聚合物比单体具有更佳的特性。

Nishino 表示:“未来实际应用最重要的特性之一‘接触点形成的可能性’,对于聚合物接触点来说更高。”此外,流过聚合物接触点的电流,相对于流过单体接触点的电流来说,更加稳定且可预测(偏差较小)。

该研究团队所展现的成果,揭示了聚合物作为未来电子器件小型化构成要素的巨大潜力。聚合物是否会成为突破新的物理极限的关键?但愿时间会给出答案。