分子電子學：未來電子器件小型化的關鍵或將是聚合物！

導讀

據日本東京工業大學官網近日報道，該校與筑波大學的科學家們證明了聚合物在製造單分子電子器件方面扮演著關鍵角色，也使我們將納米器件革命推向了新的境界。

背景

如今，小型化成為了電子器件最重要的發展趨勢之一，電子元器件的設計尺寸已縮小至納米級別。「摩爾定律」指出：「當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。」

摩爾定律-集成電路晶元上晶體管數量（1976-2016）（圖片來源：維基百科）

但是近年來，摩爾定律似乎正在面臨嚴峻挑戰，晶元上晶體管的尺寸縮小與數量增加的速度正在放緩。因此，我們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。經過幾十年發展，這項技術漸趨成熟，形成了一個新的前沿科技領域：分子電子學。

可精準控制的分子晶體管（圖片來源：美國海軍研究實驗室）

分子電子學研究的是分子水平上的電子學，其目標是用單個分子、超分子或分子簇代替硅基半導體晶體管等固體電子學元件組裝邏輯電路，乃至組裝完整的分子計算機。

在硅晶元上建立分子電氣觸點（圖片來源：IBM蘇黎世研究院）

基於石墨烯的分子電子器件（圖片來源：Alexander Rudnev/瑞士伯爾尼大學）

創新

日本東京工業大學科學院副教授 Tomoaki Nishino 領導的科研團隊也在分子電子學領域展開探索，他們正研究的是單分子器件。

Nishino 解釋道：「終極的小型化有望通過分子電子器件實現。在分子電子學領域，單分子被作為功能元件使用。」

技術

然而，正如你所料想的，通過單分子創造電子元器件並不是一項簡單的任務。由單分子組成的功能器件非常難以製造。更進一步說，包含它們的接觸點（電氣觸點）壽命較短，這樣使得它們難以應用。研究團隊基於之前的工作推斷出，一種形成聚合物的長鏈單體（單分子），相對於比較小的分子來說，表現得更好。

為了證明這個想法，他們採用了一項稱為「掃描隧道顯微鏡（STM）」的技術。在這項技術中，尾端是單原子的金屬針尖用於測量極小的電流，以及當針尖在目標表面（如下圖所示）上與一個原子或者多個原子創造出電氣接觸點時的電流波動。

由STM針尖與聚合物創造出的單分子接觸點（圖片來源：東京工業大學）

團隊通過STM創造出由針尖與一個稱為「poly(vinylpyridine)」的聚合物或者它對應的單體「4,4"-trimethylenedipyridine」組成的電氣觸點，「4,4"-trimethylenedipyridine」被認為是聚合物的成分之一。研究人員們通過測量這些接觸點的導電特性，試圖證明聚合物可用於製造單分子器件。

可是為了進行分析，團隊必須首先設計一種演算法，使他們可以通過STM測量到的電流信號，提取出他們所感興趣的量。簡單地說，它們的演算法使他們可以自動檢測和計算出來自針尖與目標表面隨著時間變化的電流信號中的小的穩定期。這個穩定期表明，在針尖和表面上的單分子之間創造出了一個穩定的導電接觸點。

價值

研究團隊採用這個方法，分析了通過聚合物及其對應的單體創造出的接觸點上所獲取的結果。他們發現，作為電子元器件來說，聚合物比單體具有更佳的特性。

Nishino 表示：「未來實際應用最重要的特性之一『接觸點形成的可能性』，對於聚合物接觸點來說更高。」此外，流過聚合物接觸點的電流，相對於流過單體接觸點的電流來說，更加穩定且可預測（偏差較小）。

該研究團隊所展現的成果，揭示了聚合物作為未來電子器件小型化構成要素的巨大潛力。聚合物是否會成為突破新的物理極限的關鍵？但願時間會給出答案。

關鍵字

聚合物、分子電子、摩爾定律

參考資料

【1】https://www.titech.ac.jp/english/news/2019/044388.html

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