新方法：首次在硅晶元上建立分子電氣觸點！

導讀

近日，瑞士巴塞爾大學和IBM蘇黎世研究院的化學家們開發出一種新方法，可以通過單分子在傳統硅晶元上建立電氣觸點。這項技術有望帶來感測器技術和醫學方面的新進展。

背景

如今，小型化是智能手機與電子設備的重要發展趨勢之一。電路的尺寸不斷縮小，而功能卻不斷增多。但是傳統硅基集成電路在小型化的過程中正面臨一系列挑戰，因此迫切需要新的技術來繼續推進電子設備小型化。

早在上世紀七十年代，科學家們就提出用分子取代電線來構造電路，隨著過去幾十年的發展，這項技術逐漸成熟。在分子電子學領域，科學家們正在尋找通過單個分子取代硅來製造電路元件的方法。下面，首先舉兩個例子來回顧一下分子電子學的相關研究成果：

1）瑞士伯爾尼大學與英國國家物理實驗室研究人員組成的國際研究團隊開發出一種新方案，展示了分子可以共價鏈接到機械結構穩定的石墨烯基質上的。它有望成為下一代分子電子學器件的理想候選方案。

（圖片來源：Alexander Rudnev/瑞士伯爾尼大學）

2）德國PDI固體電子學研究所、柏林自由大學、日本電報電話公司基礎研究實驗室、美國海軍研究實驗室構建出一個可被精準控制的分子晶體管。這種分子晶體管標誌著科學家向著更高級的小型電子器件邁出了重要的一步。

（圖片來源：美國海軍研究實驗室）

分子具有獨特的電子特性，因此可實現傳統硅技術無法實現的應用。然而，這需要在分子兩端，通過可靠且低成本的方法製造電氣觸點。

創新

近日，瑞士巴塞爾大學和IBM蘇黎世研究院的化學家們開發出一種新方法，可以通過單分子在傳統硅晶元上建立電氣觸點。相關論文發表在《自然（Nature）》期刊上。這項技術有望帶來感測器技術和醫學方面的新進展。

技術

研究人員們開發出一種建立單分子電氣觸點的方法。他們的方法將納米顆粒薄膜沉積到分子上，同時又不影響分子特性，同時製造出幾千個穩定的金屬-分子-金屬元件。這種方法採用了鏈烷二巰基物（ alkane-dithiol）化合物，該化合物由碳、氫和硫構成。

研究人員採用了一種類似三明治的結構，其中的分子夾層與其上層和下層的金屬電極發生電氣接觸。下方的電極由鉑構成，並塗有一層不導電的材料。 然後，這一層蝕有微孔，形成不同尺寸的隔間圖案，裡面與鉑電極產生電氣接觸。

然後，研究人員利用特定分子的自組裝能力。在微孔圖案上，研究人員施加了一種含有鏈烷二巰基物分子的溶液，這些分子自組裝到微孔中，形成緊密壓縮的單分子膜層。在這層膜中，單個分子呈現出規則的排列以及與下方鉑電極之間的電氣連接。分子層與上方由金納米顆粒組成的電極產生電氣接觸。

微孔內填有分子，通過下方的鉑電極和上方的金電極產生電氣接觸。硅晶圓的截面含有幾千個具有電氣接觸點的微孔。

（圖片來源：IBM蘇黎世研究院）

價值

這項新技術很大程度上解決了之前阻礙製造分子電氣觸點的問題，例如很高的接觸電阻或者由於長絲貫穿薄膜引起的短路。這種方法製造出的模塊可在標準條件下操作，並具有長期穩定性。進一步說，這個方法可應用於其他的各種分子系統，並為在固態設備中集成分子化合物開闢了新的途徑。它的應用包括感測器技術和醫學領域的新型儀器設備。

巴塞爾大學化學工程系教授 Marcel Mayor 表示：「我們的方案將幫助加速通過化學方法製造並可控的電子和感測器元件的開發。」

關鍵字

分子電子、感測器、半導體

參考資料

【1】https://www.unibas.ch/en/News-Events/News/Uni-Research/Electrical-contact-to-molecules-in-semiconductor-structures-established-for-the-first-time.html

【2】Gabriel Puebla-Hellmann, Koushik Venkatesan, Marcel Mayor, and Emanuel L?rtscher Metallic nanoparticle contacts for high-yield, ambient-stable molecular-monolayer devices Nature (2018), doi: 10.1038/s41586-018-0275-z

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