小型電子電路為我們的日常生活提供動(dòng)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(chǔ)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(kāi)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(kāi)發(fā)出一種方法來(lái)制造單個(gè)分子的一維陣列并精確控制其電子結(jié)構(gòu)。通過(guò)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(guó)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(wú)或部分分子帶有電荷。然后可以通過(guò)操縱鏈末端的單個(gè)分子來(lái)沿著鏈移動(dòng)所產(chǎn)生的電荷模式。

“如果你打算用單個(gè)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?cè)谶@項(xiàng)工作中做了這兩件事，”邁克爾說(shuō)Crommie 是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的高級(jí)教師科學(xué)家，他領(lǐng)導(dǎo)了該項(xiàng)目。該研究是美國(guó)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(gè)這樣的分子的精確排列鏈的電子特性，同時(shí)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(gè)金屬電極，該電極也通過(guò)薄的絕緣層。在分子和電極之間施加電壓驅(qū)動(dòng)電子進(jìn)入或離開(kāi)分子。通過(guò)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(chǔ)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(wú)法在原子長(zhǎng)度尺度上進(jìn)行調(diào)整和成像。如果沒(méi)有額外的成像能力，就無(wú)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(guò)將分子放置在伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造納米級(jí)科學(xué)用戶設(shè)施開(kāi)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(gè)分子陣列處于帶負(fù)電的狀態(tài)。消除或反轉(zhuǎn)該電壓會(huì)導(dǎo)致所有添加的電子離開(kāi)分子，使整個(gè)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(gè)其他分子，從而形成“棋盤”電荷模式。Crommie 和他的團(tuán)隊(duì)通過(guò)電子相互排斥這一事實(shí)來(lái)解釋這種新穎的行為。如果兩個(gè)帶電分子暫時(shí)占據(jù)相鄰的位置，那么它們的排斥力會(huì)將其中一個(gè)電子推開(kāi)，并迫使它在分子行更下方的一個(gè)位置上定居。

“我們可以讓所有分子都沒(méi)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€(gè)結(jié)構(gòu)的電子 - 電子排斥決定的，”克羅米說(shuō)。

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(gè)額外的電子，因?yàn)樵摲肿記](méi)有第二個(gè)鄰居來(lái)引起排斥。為了通過(guò)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(gè)分子。他們發(fā)現(xiàn)原來(lái)的電荷模式已經(jīng)轉(zhuǎn)移了一個(gè)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(lái)的第二個(gè)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(gè)分子的電荷視為一點(diǎn)信息，那么去除最后一個(gè)分子會(huì)導(dǎo)致整個(gè)信息模式移動(dòng)一個(gè)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(gè)區(qū)域傳輸?shù)搅硪粋€(gè)區(qū)域提供了新的可能性。移動(dòng)陣列一端的分子可以作為打開(kāi)或關(guān)閉設(shè)備其他地方的開(kāi)關(guān)，為未來(lái)的邏輯電路提供有用的功能。

“我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)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(shuō)。

研究人員通過(guò)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(shuō)，通過(guò)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(huì)導(dǎo)致它們的電子行為發(fā)生變化，從而導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的功能發(fā)生變化。這項(xiàng)工作源于美國(guó)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(huì)導(dǎo)致納米級(jí)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(gè)原子替換為另一個(gè)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(jí)設(shè)備中。

標(biāo)簽： 分子鏈級(jí)聯(lián)