近年來(lái)，電子工程師一直在嘗試創(chuàng)建分子級(jí)電子設(shè)備，即使用單分子的新型設(shè)備。為了使這些設(shè)備正常工作，科學(xué)家首先需要確定有效的方法來(lái)調(diào)節(jié)分子陣列的電子特性，到目前為止，這已經(jīng)證明是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。

勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校(UC Berkeley)的研究人員最近推出了一種設(shè)計(jì)策略，用于調(diào)節(jié)石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管內(nèi)部分子陣列的電荷模式。在《自然電子》上發(fā)表的一篇論文中，他們提出了一種基于這種策略的分子移位寄存器，該寄存器是通過(guò)將有機(jī)分子高精度地定位在基于石墨烯的設(shè)備上而制成的。

監(jiān)督這項(xiàng)研究的教授邁克爾·F·克羅米(Michael F. Crommie)告訴TechXplore：“制造功能性分子納米結(jié)構(gòu)的可能性啟發(fā)了我們。” “我們的主要目標(biāo)是制造可以通過(guò)外部信號(hào)(例如施加的柵極電壓)輕松控制其狀態(tài)的納米機(jī)器。構(gòu)建這種功能性納米結(jié)構(gòu)的一種方法是利用分子自組裝的優(yōu)勢(shì)來(lái)創(chuàng)建交替充電/不充電的陣列分子，模仿了移位寄存器如何存儲(chǔ)和操縱信息的某些方面。”

由Hsin-Zon Tsai和他的同事制造的分子移位寄存器是通過(guò)使用所謂的“邊緣模板”自組裝過(guò)程將有機(jī)F 4 TCNQ分子精確定位在石墨烯器件上而構(gòu)建的。本質(zhì)上，該設(shè)備通過(guò)靜電背門(mén)對(duì)陣列中組織的分子充電，從而發(fā)揮作用。在特定的柵極電壓下，這使得能夠在分子之間產(chǎn)生交替的電荷模式(即，對(duì)陣列中的每個(gè)其他分子充電)。

蔡說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)操縱末端分子會(huì)導(dǎo)致所有分子的電荷狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致整個(gè)陣列級(jí)聯(lián)下降，從而使整個(gè)電荷模式移動(dòng)一個(gè)分子。” “我們的設(shè)備是獨(dú)特的，因?yàn)樗怯捎袡C(jī)分子制成的，其特征和功能可以通過(guò)現(xiàn)代有機(jī)合成的復(fù)雜技術(shù)進(jìn)行定制。”

蔡和他的同事們最近的研究表明，如何利用自組裝過(guò)程和帶電分子之間的庫(kù)侖相互作用來(lái)產(chǎn)生有效的納米結(jié)構(gòu)。只需通過(guò)背柵電極調(diào)節(jié)石墨烯費(fèi)米能級(jí)，就可以在不同的電荷狀態(tài)之間切換它們組裝的分子陣列的電荷構(gòu)型。

克羅米說(shuō)：“人們可以想象，如何利用分子電荷狀態(tài)作為邏輯位，通過(guò)自組裝來(lái)構(gòu)造其他基本電子元件，例如邏輯門(mén)。” “一個(gè)挑戰(zhàn)是構(gòu)造和排列納米級(jí)讀數(shù)以訪問(wèn)分子電荷狀態(tài)。盡管在納米級(jí)這很困難，但我們相信自組裝將再次被證明是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有用工具。”

將來(lái)，這組研究人員研究的分子系統(tǒng)可能會(huì)為基于分子納米結(jié)構(gòu)的其他電子設(shè)備的創(chuàng)建提供信息。同時(shí)，蔡和他的同事計(jì)劃進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以創(chuàng)建更大，更復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)，這些納米結(jié)構(gòu)可以執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，例如機(jī)電納米機(jī)器。

“關(guān)于納米世界的一個(gè)非常有趣的問(wèn)題是，力和動(dòng)量如何從量子力學(xué)描述的電子傳遞到更經(jīng)典的更大物體，例如原子或分子，”富蘭克林·劉(Franklin Liou)進(jìn)行了研究。說(shuō)出項(xiàng)目。“我們計(jì)劃通過(guò)電流或靜電門(mén)控處理石墨烯中的電子，然后用原子尺度顯微鏡測(cè)量所吸附的原子和分子的機(jī)械響應(yīng)，從而解決這一問(wèn)題。”

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