小型電子電路為我們的日常生活提供動力，從手機(jī)中的微型攝像頭到計(jì)算機(jī)中的微處理器。為了使這些設(shè)備更小，科學(xué)家和工程師正在用單分子設(shè)計(jì)電路組件。小型化電路不僅可以提供增加設(shè)備密度、速度和能源效率的好處——例如在柔性電子設(shè)備或數(shù)據(jù)存儲中——而且利用特定分子的物理特性可以導(dǎo)致設(shè)備具有獨(dú)特的功能。然而，從單分子開發(fā)實(shí)用的納米電子器件需要精確控制這些分子的電子行為，以及制造它們的可靠方法。

現(xiàn)在，正如《自然電子》雜志報(bào)道的那樣，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種方法來制造單個分子的一維陣列并精確控制其電子結(jié)構(gòu)。通過仔細(xì)調(diào)整應(yīng)用于嵌入一維碳(石墨烯)層的分子鏈的電壓，由勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們可以控制全部、無或部分分子帶有電荷。然后可以通過操縱鏈末端的單個分子來沿著鏈移動所產(chǎn)生的電荷模式。

“如果你打算用單個分子構(gòu)建電子設(shè)備，你需要具有有用功能的分子，你需要弄清楚如何以有用的模式排列它們。我們在這項(xiàng)工作中做了這兩件事，”邁克爾說Crommie 是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的高級教師科學(xué)家，他領(lǐng)導(dǎo)了該項(xiàng)目。該研究是美國能源部 (DOE) 科學(xué)資助的功能納米機(jī)器表征計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃的總體目標(biāo)是了解分子納米結(jié)構(gòu)的電氣和機(jī)械特性，并創(chuàng)建新的基于分子的納米機(jī)器，能夠在納米尺度上將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。

伯克利實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)選擇的富氟分子的關(guān)鍵特征是它接受電子的強(qiáng)烈傾向。為了控制沉積在石墨烯基底上的 15 個這樣的分子的精確排列鏈的電子特性，同時也是加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)教授的克羅米和他的同事在石墨烯下方放置了一個金屬電極，該電極也通過薄的絕緣層。在分子和電極之間施加電壓驅(qū)動電子進(jìn)入或離開分子。通過這種方式，石墨烯支持的分子表現(xiàn)得有點(diǎn)像電容器，電路中用于存儲和釋放電荷的電子元件。但是，與“正常”宏觀電容器不同，

在之前的分子組裝研究中，分子的電子特性無法在原子長度尺度上進(jìn)行調(diào)整和成像。如果沒有額外的成像能力，就無法在電氣設(shè)備的上下文中完全理解結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系。通過將分子放置在伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造納米級科學(xué)用戶設(shè)施開發(fā)的石墨烯基板上的專門設(shè)計(jì)的模板中，克羅米和他的同事確保分子完全可用于顯微鏡觀察和電操作。

正如預(yù)期的那樣，向支撐分子的石墨烯下方的金屬電極施加強(qiáng)正電壓，使它們充滿電子，使整個分子陣列處于帶負(fù)電的狀態(tài)。消除或反轉(zhuǎn)該電壓會導(dǎo)致所有添加的電子離開分子，使整個陣列返回到電荷中性狀態(tài)。然而，在中間電壓下，電子僅填充陣列中的每個其他分子，從而形成“棋盤”電荷模式。Crommie 和他的團(tuán)隊(duì)通過電子相互排斥這一事實(shí)來解釋這種新穎的行為。如果兩個帶電分子暫時占據(jù)相鄰的位置，那么它們的排斥力會將其中一個電子推開，并迫使它在分子行更下方的一個位置上定居。

“我們可以讓所有分子都沒有電荷，或者全部充滿，或者交替。我們稱之為集體電荷模式，因?yàn)樗怯烧麄€結(jié)構(gòu)的電子 - 電子排斥決定的，”克羅米說。

計(jì)算表明，在具有交替電荷的分子陣列中，陣列中的末端分子應(yīng)始終包含一個額外的電子，因?yàn)樵摲肿記]有第二個鄰居來引起排斥。為了通過實(shí)驗(yàn)研究這種行為，伯克利實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)移除了一系列具有交替電荷的分子中的最后一個分子。他們發(fā)現(xiàn)原來的電荷模式已經(jīng)轉(zhuǎn)移了一個分子：帶電的位置變成中性，反之亦然。研究人員得出結(jié)論，在帶電末端分子被移除之前，與其相鄰的分子一定是中性的。在陣列末端的新位置，原來的第二個分子帶電。為了保持帶電和不帶電分子之間的交替模式，

如果將每個分子的電荷視為一點(diǎn)信息，那么去除最后一個分子會導(dǎo)致整個信息模式移動一個位置。這種行為模仿了數(shù)字電路中的電子移位寄存器，并為將信息從分子器件的一個區(qū)域傳輸?shù)搅硪粋€區(qū)域提供了新的可能性。移動陣列一端的分子可以作為打開或關(guān)閉設(shè)備其他地方的開關(guān)，為未來的邏輯電路提供有用的功能。

“我們發(fā)現(xiàn)這個結(jié)果非常有趣的一件事是，我們能夠改變電子電荷，從而從很遠(yuǎn)的地方改變分子的特性。這種控制水平是新的，”克羅米說。

研究人員通過他們的分子陣列實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)建具有非常特定功能的結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。也就是說，通過施加電壓可以在不同可能狀態(tài)之間微調(diào)分子電荷的結(jié)構(gòu)。改變分子的電荷會導(dǎo)致它們的電子行為發(fā)生變化，從而導(dǎo)致整個設(shè)備的功能發(fā)生變化。這項(xiàng)工作源于美國能源部努力構(gòu)建具有明確機(jī)電功能的精確分子納米結(jié)構(gòu)。

伯克利實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)控制分子電荷模式的技術(shù)可能會導(dǎo)致納米級電子元件的新設(shè)計(jì)，包括晶體管和邏輯門。該技術(shù)也可以推廣到其他材料，并納入更復(fù)雜的分子網(wǎng)絡(luò)。一種可能性是調(diào)整分子以創(chuàng)建更復(fù)雜的電荷模式。例如，將分子中的一個原子替換為另一個原子可以改變分子的性質(zhì)。將這種改變的分子放入陣列中可以創(chuàng)造新的功能?；谶@些結(jié)果，研究人員計(jì)劃探索由分子陣列內(nèi)的新變化產(chǎn)生的功能，以及它們?nèi)绾螡撛诘赜米魑⑿碗娐方M件。最終，他們計(jì)劃將這些結(jié)構(gòu)整合到更實(shí)用的納米級設(shè)備中。

　　免責(zé)聲明：本文由用戶上傳，與本網(wǎng)站立場無關(guān)。財(cái)經(jīng)信息僅供讀者參考，并不構(gòu)成投資建議。投資者據(jù)此操作，風(fēng)險(xiǎn)自擔(dān)。 如有侵權(quán)請聯(lián)系刪除！