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首款單分子二極體整流性能高50倍

上網時間: 2015年05月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:單分子  二極體  整流  奈米  分子電子學 

美國哥倫比亞大學工程學院(Columbia Engineering)的研究人員們宣稱開發出首款單分子二極體,可實現比以往設計更高50倍的整流性能,從而可為奈米級元件催生現實世界的技術應用。

這項研究目前正在該校應用物理學副教授Latha Venkataraman的指導下進行。

「我們的新方法創造了一種具有高整流率(>250)與高導通電流(~0.1μA)的單分子二極體,」Venkataraman表示,「建構一款僅以單分子為活性元素的元件,一直是奈米科學長久以來難以實現的夢想。同時,這也一直是分子電子學自Aviram與Ratner在1974年發表開創性論文以來所持續追尋的神聖目標;他們在論文中提到電子元件最終可望實現功能的微型化。」

隨著電子裝置變得越來越小,分子電子學領域已經成為克服進一步微型化問題的關鍵,而單分子更表現出在微型化方面的侷限。打造一款單分子二極體的想法是Aviram與Ratner在1974年所提出的理論,他們認認分子能夠像整流器一樣表現出單向的電流傳導。

從那時起,研究人員們不斷探索分子電荷的傳導特性。他們展示了連接在金屬電子的單分子(單分子結)可作為多種電路元素,包括電阻器、開關、電晶體與二極體。他們還瞭解到能夠在顯現於單分子結的傳導特性上看到量子力學效應,例如干擾等。

由於二極體可作為電子閥,其結構必須是不對稱的,才能使某一方向流動的電流經歷與另一方向電流全然不同的環境。為了開發單分子二極體,研究人員們僅設計具有非對稱結構的分子。

「雖然這種不對稱分子的確展現一些像二極體的特性,但效果並不理想,」與Venkataraman共同進行研究的博士班學生兼論文作者Brian Capozzi解釋,「設計良好的二極體應該讓分子僅以一個方向流動——即『導通』(on)電流,它可讓許多電流以同一方向流動。非對稱分子設計通常在導通與關斷(Off)電流時遭遇非常低的電流,而且在這二者的比率通常也很低。理想上,開/關(on/off)電流的整流比應該是非常高的。」


哥倫比亞工程學院教授Latha Venkataraman創造首款單分子二極體所用的分子繪圖。二極體是電路的基本建構模組,可讓電流以某一方向流動。
(來源:Latha Venkataraman, Columbia Engineering)

為了克服與非對稱分子設計有關的問題,Venkatarama與該校化學系助理教授Luis Campos的研究團隊、加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)「分子工廠」(Molecular Foundry)的Jeffrey Neaton研究團隊攜手合作,專注於在分子結環境下開發非對稱結構。他們利用簡單的方法創造出環境的不對稱——以離子溶液圍繞主動分子,並利用不同大小的金質金屬電極接觸分子。

其研究結果所達到的整流比高達250: 50,較以往的設計更高50倍。Venkataraman強調,在其元件中流動的「導通」電流更高達0.1 ?A,因此有更多電流通過單分子。而且,由於這種新技術的建置相當簡單,因而能夠應用於各種奈米級元件,包括以石墨烯電極製造的元件。

「能夠設計出這樣一種分子電路是相當驚人的,它利用了來自化學和物理學的概念,並使其實現某些功能,」 Venkataraman說,「其長度規模較小,使得量子力學效應成為元件的絕對關鍵部份。因此,能夠創造一些你永遠無法實際看到但又能按預期表現的元件,才是真正的勝利。」

Venkataraman目前正與其研究團隊致力於瞭解在其重大發現背後的基本物理學,並利用新的分子系統,試圖增加所觀察到的整流比。

這項研究是由美國國家科學基金會(NSF)與Packard Foundation共同贊助。

這篇主題為「可經由環境控制的高開關率單分子二極體研究 」(Single-Molecule Diodes with High On-Off Ratios through Environmental Control)已發表在近期的《自然奈米技術》(Nature Nanotechnology)期刊中。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Researchers create first single-molecule diode,by Jean-Pierre Joosting)





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