基于量子干涉的單分子晶體管面世

JAMES THOMAS

隨著晶體管變得越來越小，以便在更小的占地面積內(nèi)容納更多的計(jì)算能力。一個(gè)由英國(guó)、加拿大和意大利研究人員組成的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種利用量子效應(yīng)的單分子晶體管，利用量子干涉來控制電子流。

這一成果為在電子設(shè)備中使用量子效應(yīng)帶來了新的可能性，有望催生比現(xiàn)有設(shè)備更小、更快、更節(jié)能的新型晶體管，以制造新一代電子設(shè)備。在低溫下，單分子器件顯示出電流的強(qiáng)烈變化，柵極電壓只有很小的變化，接近被稱為亞閾值擺動(dòng)的物理極限。接近或超過這一極限將允許晶體管以更低的電壓進(jìn)行切換，使其更高效，產(chǎn)生更少的廢熱。包括倫敦瑪麗女王大學(xué)物理學(xué)家在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)利用量子干涉如何改變單分子中的電流來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

這種設(shè)計(jì)避開了傳統(tǒng)晶體管小型化的陷阱。倫敦瑪麗女王大學(xué)的量子技術(shù)專家James Thomas說：“隨著晶體管越來越小，電子就會(huì)從源極到漏極進(jìn)行量子隧穿?！?“這意味著你無法真正關(guān)閉它，”他說，“這幾乎是小型化的必然結(jié)果?！?/p>

另一條電子路徑

Thomas和他的同事們想為電子提供另一條路徑，所以他們精心設(shè)計(jì)了一個(gè)單分子晶體管來控制電子的流動(dòng)。該晶體管由一端固定在石墨烯源極和漏極上的單個(gè)鋅卟啉分子組成。卟啉與血紅素和葉綠素中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)相似。研究小組之所以選擇它，是因?yàn)樗哂辛己玫碾娮有阅?，而且他們把它比作化學(xué)樂高積木。很容易粘附在有助于使分子可溶或與石墨烯化學(xué)結(jié)合的官能團(tuán)上。當(dāng)電壓施加到柵極電極時(shí)，電子可以從一個(gè)石墨烯電極通過卟啉分子并進(jìn)入另一個(gè)石墨電極。

由于卟啉分子的大小和設(shè)計(jì)，以及石墨烯電極邊緣的電子行為，電子不會(huì)像簡(jiǎn)單的粒子一樣通過這個(gè)單分子晶體管。它們的波動(dòng)性占主導(dǎo)地位。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，電子進(jìn)行相長(zhǎng)干涉，相互增強(qiáng)。當(dāng)它關(guān)閉時(shí)，卟啉通道中的電子會(huì)相互干擾。這種破壞性干擾意味著該器件幾乎沒有泄漏電流。

哥倫比亞大學(xué)的應(yīng)用物理學(xué)家Latha Venkataraman沒有參與這項(xiàng)工作，她說，最小化晶體管的亞閾值電壓是電子行業(yè)的主要障礙之一?！八鼈兎浅＝咏鼧O限，”她說。

壽命一直是單分子電子學(xué)的一個(gè)問題。但量子干涉晶體管可以在不損壞的情況下切換數(shù)十萬次。Thomas說，它的性能與碳納米管晶體管相當(dāng)，但其溝道長(zhǎng)度要短得多，因?yàn)榉肿又挥?.1納米長(zhǎng)。碳納米管器件通常具有7-10nm的通道長(zhǎng)度。

倫敦瑪麗女王大學(xué)的項(xiàng)目物理學(xué)家Jan Mol說：“原則上，我們已經(jīng)證明，你可以使用破壞性量子干涉來做一些有用的事情。” 盡管如此，他和Thomas預(yù)計(jì)他們的量子干涉晶體管不會(huì)很快出現(xiàn)在產(chǎn)品中。

前方的單分子道路

Thomas說：“單個(gè)晶體管并沒有那么有用?！毕乱徊綄⑹窃谝粋€(gè)芯片上連接多個(gè)設(shè)備，以構(gòu)建簡(jiǎn)單的邏輯門，然后是一臺(tái)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)，就像碳納米管晶體管所做的那樣。

Thomas提到，這樣的談話是本末倒置。研究人員不知道如何可靠地制造石墨烯電極，因?yàn)槭┑脑蛹?jí)結(jié)構(gòu)決定了器件的性能。“石墨烯電極的結(jié)構(gòu)非常重要，”Mol說，“你必須非常小心石墨烯的邊緣?！?/p>

Mol說：“這種晶體管的想法源于科學(xué)的好奇心?！彼膱F(tuán)隊(duì)對(duì)研究電流如何流經(jīng)分子感興趣。有機(jī)化學(xué)家知道如何逐個(gè)原子地調(diào)整分子。如果科學(xué)家們能夠想出如何設(shè)計(jì)一個(gè)分子，以便在晶體管中充當(dāng)近乎完美的通道，他們應(yīng)該能夠構(gòu)建它。Mol和其他人正在努力學(xué)習(xí)使這成為可能的分子設(shè)計(jì)規(guī)則。他說，構(gòu)建量子干涉晶體管花了大約十年的時(shí)間，這是一個(gè)由化學(xué)家、材料科學(xué)家和物理學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)，這些晶體管制造器件需要大量的工作和耐心。

研究人員在近日發(fā)表在《自然納米技術(shù)》雜志上的一篇論文中描述了他們的工作（https://www.nature.com/articles/s41565-024-01633-1）。