基于量子干涉技術的單分子晶體管問世

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

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

“We’ve demonstrated, in principle, that you can use destructive quantum interference for something useful.”

—JAN MOL, QUEEN MARY UNIVERSITY OF LONDON

這種設計避開了傳統(tǒng)晶體管小型化的陷阱。倫敦瑪麗女王大學的量子技術專家James Thomas說：“隨著晶體管越來越小，電子就會從源極到漏極進行量子隧穿?！?“這意味著你無法真正關閉它，”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，所以他們精心設計了一個單分子晶體管來控制電子的流動。該晶體管由一端固定在石墨烯源極和漏極上的單個鋅卟啉分子（https://en.wikipedia.org/wiki/Zinc_protoporphyrin#:~:text=Zinc%20protoporphyrin%20(ZPP)%20refers%20to,or%20by%20lack%20of%20iron.）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，是因為它具有良好的電子性能，而且他們把它比作化學樂高積木。很容易粘附在有助于使分子可溶或與石墨烯化學結(jié)合的官能團上（https://www.mdpi.com/1420-3049/22/6/980）。當電壓施加到柵極電極時，電子可以從一個石墨烯電極通過卟啉分子并進入另一個石墨電極。

由于卟啉分子的大小和設計，以及石墨烯電極邊緣的電子行為，電子不會像簡單的粒子一樣通過這個單分子晶體管。它們的波動性占主導地位。當晶體管導通時，電子進行相長干涉，相互增強。當它關閉時，卟啉通道中的電子會相互干擾。這種破壞性干擾意味著該器件幾乎沒有泄漏電流。

哥倫比亞大學的應用物理學家Latha Venkataraman沒有參與這項工作，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。“它們非常接近極限，”她說。

壽命一直是單分子電子學的一個問題。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，但其溝道長度要短得多，因為分子只有2.1納米長。碳納米管器件通常具有7-10nm的通道長度。

倫敦瑪麗女王大學的項目物理學家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預計他們的量子干涉晶體管不會很快出現(xiàn)在產(chǎn)品中。

前方的單分子道路

Thomas說：“單個晶體管并沒有那么有用?！毕乱徊綄⑹窃谝粋€芯片上連接多個設備，以構(gòu)建簡單的邏輯門，然后是一臺簡單的計算機，就像碳納米管晶體管所做的那樣（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaelm.1c01337）。

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，因為石墨烯的原子級結(jié)構(gòu)決定了器件的性能?！笆╇姌O的結(jié)構(gòu)非常重要，”Mol說，“你必須非常小心石墨烯的邊緣。”

Mol說：“這種晶體管的想法源于科學的好奇心。”他的團隊對研究電流如何流經(jīng)分子感興趣。有機化學家知道如何逐個原子地調(diào)整分子。如果科學家們能夠想出如何設計一個分子，以便在晶體管中充當近乎完美的通道，他們應該能夠構(gòu)建它。Mol和其他人正在努力學習使這成為可能的分子設計規(guī)則。他說，構(gòu)建量子干涉晶體管花了大約十年的時間，這是一個由化學家、材料科學家和物理學家組成的團隊，這些晶體管制造器件需要大量的工作和耐心。

審核編輯：黃飛