一種有2.6納米長的具有高導(dǎo)電性的長分子納米線

隨著我們的設(shè)備變得越來越小，在電子電路中使用分子作為主要元件變得越來越重要。在過去的10年里，研究人員一直在嘗試使用單分子作為導(dǎo)線，因為它們具有尺寸小、獨特電子特性以及高可調(diào)性等特性。但在大多數(shù)分子導(dǎo)線中，隨著導(dǎo)線長度的增加，電子在導(dǎo)線上傳輸?shù)男食手笖?shù)下降。這一缺陷使得制造長分子導(dǎo)線非常具有挑戰(zhàn)性，這種導(dǎo)線比納米線長得多，能夠很好地導(dǎo)電。

哥倫比亞大學(xué)的研究人員近日宣布，他們已經(jīng)制造出了一種有2.6納米長的納米線，隨著導(dǎo)線長度的增加，該納米線的電導(dǎo)率也異常增加，且具有準金屬性質(zhì)。它優(yōu)良的導(dǎo)電性為分子電子學(xué)領(lǐng)域帶來了巨大的希望，可以讓電子設(shè)備變得更小。

分子線設(shè)計

哥倫比亞工程學(xué)院和哥倫比亞化學(xué)系的研究團隊，以及德國的理論家和中國的合成化學(xué)家，共同探索了可支持兩端未配對電子的分子線設(shè)計，該類電子線將形成拓撲絕緣體（TI）的一維類似物，拓撲絕緣體邊緣具有高導(dǎo)電性，但中心則絕緣。

雖然最簡單的一維拓撲絕緣體是由碳原子構(gòu)成的，末端碳原子支持自由基狀態(tài)，即未配對電子，但這些分子通常非常不穩(wěn)定。碳不喜歡有未配對的電子。用氮取代自由基所在的末端碳，可以提高分子的穩(wěn)定性。該團隊的共同負責(zé)人Latha Venkataraman、應(yīng)用物理教授和化學(xué)教授Lawrence Gussman表示：“這使得由碳鏈制成，但以氮終止的一維拓撲絕緣體更加穩(wěn)定，我們可以在室溫下以及一般的環(huán)境條件下就能使用它們?！?/p>

打破指數(shù)衰減規(guī)則

通過化學(xué)設(shè)計和實驗相結(jié)合，該團隊創(chuàng)建了一系列一維拓撲絕緣體，并成功打破了指數(shù)衰減規(guī)則，即一個量以與其當(dāng)前值成比例的速率減少的過程公式。利用這兩種自由基邊緣態(tài)，研究人員通過分子生成了一條高導(dǎo)電路徑，并實現(xiàn)了’反向電導(dǎo)衰減’，即一個系統(tǒng)顯示出電導(dǎo)率隨著導(dǎo)線長度的增加而增加。

Venkataraman表示：“真正令人興奮的是，我們的金屬線具有與金-金屬點觸點相同的導(dǎo)電性，這表明分子本身具有準金屬性質(zhì)。我們的研究表明，有機分子可以在單分子水平上表現(xiàn)出與金屬類似的行為，這與過去他們只具有弱導(dǎo)電性形成了對比?！?/p>

研究人員設(shè)計并合成了雙（三芳胺）分子系列，通過化學(xué)氧化顯示出一維拓撲絕緣體的特性。他們對分子連接到源極和漏極的單分子結(jié)進行電導(dǎo)測量。通過測量，該團隊表示，更長的分子具有更高的電導(dǎo)，直到金屬絲的直徑超過2.5納米，大約為人類DNA鏈的長度。

為分子電子學(xué)的更多技術(shù)進步奠定基礎(chǔ)

“Venkataraman實驗室一直在尋求了解單分子電子器件的物理、化學(xué)和工程之間的相互關(guān)系，”該實驗室的博士生Liang Li補充道。“因此，創(chuàng)造這些特殊的導(dǎo)線將為重大科學(xué)進展奠定基礎(chǔ)。我們對我們的發(fā)現(xiàn)感到非常興奮，因為它們不僅闡述了基礎(chǔ)物理，而且還揭示了未來的潛在應(yīng)用。”

該團隊目前正在開發(fā)新的設(shè)計，以建造更長且仍具有高導(dǎo)電性的分子導(dǎo)線。

審核編輯 ：李倩