近日，據(jù)外媒消息，位于Rüschlikon的蘇黎世IBM研究所、巴塞爾大學(xué)聯(lián)手蘇黎世大學(xué)的研究人員在《自然》雜志上發(fā)表了一種在硅片上創(chuàng)造單個(gè)分子電氣觸點(diǎn)的新方法。這一項(xiàng)進(jìn)展將為開發(fā)傳感器以及操縱單個(gè)分子的電子或光子應(yīng)用開辟了一條新道路。

圖片來源：IBM Research-Zurich

回溯20世紀(jì)70年代中期，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種具有有趣電子特性的單分子，如二極管，人們當(dāng)時(shí)對(duì)其寄予厚望，認(rèn)為這將促進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)可能會(huì)與硅基電子產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。

然而，為這種單分子建立電氣觸點(diǎn)只能在實(shí)驗(yàn)室里展開。雖然可以通過掃描隧道顯微鏡（STMs）的技巧與這些分子進(jìn)行接觸，但這實(shí)驗(yàn)必須在真空與低溫條件下進(jìn)行。另外，由于它們?cè)谄渌姓J(rèn)的分子電流中差別很大，因此單一的電路難以復(fù)制。這些限制因素就是迄今為止分子電子設(shè)備仍未誕生的主要原因。

來自IBM研究所的《自然》雜志論文合著者Lortscher表示，“我們需要制造常溫穩(wěn)定的設(shè)備，，并且能夠放置在強(qiáng)大平臺(tái)上的，比如數(shù)十億數(shù)量的硅片能夠與CMOS技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)一樣。”

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員首先嘗試了一種用硅做成“三明治”的方法，可惜并不奏效。他們?cè)谝活w硅晶片上制造了鉑電極，并用一層薄薄的非導(dǎo)電材料覆蓋在上面。接著再使用傳統(tǒng)的蝕刻技術(shù)在這一層打造了納米孔。然后再使用烷基二硫醇分子溶液填充納米孔的孔隙，使溶液中的分子在孔隙中形成一個(gè)自組裝單層膜，單層密集的平行分子。

研究人員試圖用另一薄鉑層覆蓋這些納米孔以形成上層接觸。但是，在這種方法下，分子和接觸層之間的距離變化所引起的接觸電阻差異很大。由此產(chǎn)生的設(shè)備無法投入使用。之后他們也嘗試使用石墨烯，但結(jié)果不如所愿。

慶幸的是，研究人員最終找到了一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案。他們的解決方案是：在毛孔中填充自組裝單層膜（SAM）材料后，用金納米粒子覆蓋毛孔中的自組裝單層膜。因?yàn)檫@些納米粒子足夠大，不會(huì)落在自組裝分子之間，與分子接觸時(shí)不會(huì)破壞分子或改變其性質(zhì)。“納米粒子會(huì)自動(dòng)調(diào)整到分子的大小，“巴塞爾大學(xué)的馬塞爾校長(zhǎng)如是說道，”現(xiàn)在看起來很簡(jiǎn)單，我們?yōu)榱诉_(dá)到這個(gè)目標(biāo)做了很多工作。”

據(jù)《自然》雜志的報(bào)告介紹，研究人員在晶圓上創(chuàng)造了大約3000個(gè)納米孔，每一個(gè)都有自組裝的分子。他們?cè)跍y(cè)試分子對(duì)應(yīng)用電壓的反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同樣大小的毛孔，其反應(yīng)的擴(kuò)散是非常小的。盡管由于缺陷，孔隙中個(gè)體分子的接觸電阻可能不同，但是通過這種自組裝單層膜（SAM）方法，他們能獲取一個(gè)有效的平均樣本。

參與這項(xiàng)研究的巴塞爾大學(xué)馬塞爾校長(zhǎng)表示，不確定SAM分子設(shè)備是否能夠與硅設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或交換。他說道，由于自組裝分子的電性能受到其他分子的影響，所以它們可以用于感知應(yīng)用，例如，SAM分子具有pH敏感性，當(dāng)它們暴露在某些蒸汽或溶劑中時(shí)，它們會(huì)重新排列結(jié)構(gòu)或引起膨脹。“這就是產(chǎn)業(yè)界對(duì)這些設(shè)備感興趣之處，他們對(duì)更精確的分析設(shè)備的應(yīng)用翹首以盼。”來自斯坦福大學(xué)的材料科學(xué)家Zhenan Bao對(duì)此表示贊同，“單個(gè)分子間的穩(wěn)定接觸一直是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。令人印象深刻的是，它們得到了可重復(fù)的結(jié)果，電傳導(dǎo)隨分子的長(zhǎng)度而伸縮。這種方法對(duì)將來制造分子記憶和電路或許非常有效。”

然而，這項(xiàng)研究方法也受到了專業(yè)人士的質(zhì)疑，韓國(guó)慶北大學(xué)研究員金永京（Youngkyoo Kim）對(duì)于將SAM裝置作為傳感器持保留態(tài)度，他表示，“我覺得目前的納米粒子和自組裝方法在大規(guī)模制造分子裝置的電氣觸點(diǎn)方面聽起來不錯(cuò)，但是性能重現(xiàn)性和穩(wěn)定性仍然是一個(gè)需要克服的大難題。就目前的裝置結(jié)構(gòu)而言，金屬電極（包括金屬納米粒子）和SAM層都需要很好地封裝，才能保證穩(wěn)定的運(yùn)行。”