科學家發(fā)現(xiàn)在硅片上創(chuàng)造單個分子電氣觸點的新方法

近日，據(jù)外媒消息，位于Rüschlikon的蘇黎世IBM研究所、巴塞爾大學聯(lián)手蘇黎世大學的研究人員在《自然》雜志上發(fā)表了一種在硅片上創(chuàng)造單個分子電氣觸點的新方法。這一項進展將為開發(fā)傳感器以及操縱單個分子的電子或光子應用開辟了一條新道路。

圖片來源：IBM Research-Zurich

回溯20世紀70年代中期，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種具有有趣電子特性的單分子，如二極管，人們當時對其寄予厚望，認為這將促進半導體技術的發(fā)展，這種技術可能會與硅基電子產(chǎn)品競爭。

然而，為這種單分子建立電氣觸點只能在實驗室里展開。雖然可以通過掃描隧道顯微鏡（STMs）的技巧與這些分子進行接觸，但這實驗必須在真空與低溫條件下進行。另外，由于它們在其所承認的分子電流中差別很大，因此單一的電路難以復制。這些限制因素就是迄今為止分子電子設備仍未誕生的主要原因。

來自IBM研究所的《自然》雜志論文合著者Lortscher表示，“我們需要制造常溫穩(wěn)定的設備，，并且能夠放置在強大平臺上的，比如數(shù)十億數(shù)量的硅片能夠與CMOS技術競爭一樣?！?/p>

為了實現(xiàn)這一目標，研究人員首先嘗試了一種用硅做成“三明治”的方法，可惜并不奏效。他們在一顆硅晶片上制造了鉑電極，并用一層薄薄的非導電材料覆蓋在上面。接著再使用傳統(tǒng)的蝕刻技術在這一層打造了納米孔。然后再使用烷基二硫醇分子溶液填充納米孔的孔隙，使溶液中的分子在孔隙中形成一個自組裝單層膜，單層密集的平行分子。

研究人員試圖用另一薄鉑層覆蓋這些納米孔以形成上層接觸。但是，在這種方法下，分子和接觸層之間的距離變化所引起的接觸電阻差異很大。由此產(chǎn)生的設備無法投入使用。之后他們也嘗試使用石墨烯，但結果不如所愿。

慶幸的是，研究人員最終找到了一個簡單的解決方案。他們的解決方案是：在毛孔中填充自組裝單層膜（SAM）材料后，用金納米粒子覆蓋毛孔中的自組裝單層膜。因為這些納米粒子足夠大，不會落在自組裝分子之間，與分子接觸時不會破壞分子或改變其性質?！凹{米粒子會自動調整到分子的大小，“巴塞爾大學的馬塞爾校長如是說道，”現(xiàn)在看起來很簡單，我們?yōu)榱诉_到這個目標做了很多工作?！?/p>

據(jù)《自然》雜志的報告介紹，研究人員在晶圓上創(chuàng)造了大約3000個納米孔，每一個都有自組裝的分子。他們在測試分子對應用電壓的反應時發(fā)現(xiàn)，對于同樣大小的毛孔，其反應的擴散是非常小的。盡管由于缺陷，孔隙中個體分子的接觸電阻可能不同，但是通過這種自組裝單層膜（SAM）方法，他們能獲取一個有效的平均樣本。

參與這項研究的巴塞爾大學馬塞爾校長表示，不確定SAM分子設備是否能夠與硅設備競爭數(shù)據(jù)存儲或交換。他說道，由于自組裝分子的電性能受到其他分子的影響，所以它們可以用于感知應用，例如，SAM分子具有pH敏感性，當它們暴露在某些蒸汽或溶劑中時，它們會重新排列結構或引起膨脹。“這就是產(chǎn)業(yè)界對這些設備感興趣之處，他們對更精確的分析設備的應用翹首以盼?！眮碜运固垢４髮W的材料科學家Zhenan Bao對此表示贊同，“單個分子間的穩(wěn)定接觸一直是一個重大挑戰(zhàn)。令人印象深刻的是，它們得到了可重復的結果，電傳導隨分子的長度而伸縮。這種方法對將來制造分子記憶和電路或許非常有效?！?/p>

然而，這項研究方法也受到了專業(yè)人士的質疑，韓國慶北大學研究員金永京（Youngkyoo Kim）對于將SAM裝置作為傳感器持保留態(tài)度，他表示，“我覺得目前的納米粒子和自組裝方法在大規(guī)模制造分子裝置的電氣觸點方面聽起來不錯，但是性能重現(xiàn)性和穩(wěn)定性仍然是一個需要克服的大難題。就目前的裝置結構而言，金屬電極（包括金屬納米粒子）和SAM層都需要很好地封裝，才能保證穩(wěn)定的運行?！?/p>