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可以在极小的范围内制造关键的电子元件

归档日期:06-16       文本归类:第一代计算机      文章编辑:爱尚语录

  最近,在亚利桑那州立大学的生物设计研究所,NJ Tao和合作者已经找到了一种方法,可以在极小的范围内制造出关键的电子元件。他们的单分子二极管在本周的自然化学网络版中有描述。

  在电子领域,二极管是一种多功能且无处不在的组件。它们具有多种形状和尺寸,可用于各种设备,是半导体行业的基本成分。使包括二极管在内的元件更小,更便宜,更快速和更高效已经成为爆炸性电子领域的圣杯,现在正在探索纳米级领域。

  较小的尺寸意味着电子设备的成本更低,性能更好。陶说,第一代计算机CPU使用了几千个晶体管,注意到硅技术的急剧发展。“现在即使是简单,便宜的电脑也只能在一块芯片上使用数百万个晶体管。”

  但最近,小型化的任务变得更加艰难,着名的摩尔定律 - 其中指出芯片上硅基晶体管的数量每18-24个月翻一番 - 最终将达到其物理极限。“晶体管尺寸达到几十纳米,仅比分子大20倍,”陶说。“这是人们对这种分子电子学理念感到兴奋的原因之一。”

  二极管是广泛应用的关键组件,从功率转换设备到无线电,逻辑门,光电探测器和发光器件。在每种情况下,二极管是允许电流围绕电路在一个方向上流动但不在另一个方向上流动的部件。陶解释说,对于分子来说,它必须是物理不对称的,一端能够与带负电的阳极形成共价键,另一端能够与正极阴极端形成共价键。

  这项新研究将对称分子与不对称分子进行了比较,详细说明了各自在电子传输方面的表现。“如果你有一个对称的分子,那么电流是双向的,就像一个普通的电阻器,”Tao观察到。这可能是有用的,但二极管是一个更重要(和困难)的复制组件(图1)。

  使用基于分子的电子元件超越硅限制的想法已经存在了一段时间。“理论化学家Mark Ratner和Ari Aviram于1974年提出在二极管等电子产品中使用分子,”陶说,并补充说“世界各地的人们已经试图实现这一目标超过30年。”

  Tao指出,迄今为止大多数努力涉及许多分子,指的是分子薄膜。直到最近才有人认真尝试克服单分子设计的障碍。挑战之一是将单个分子桥接到至少两个向其提供电流的电极。另一个挑战涉及分子在装置中的正确取向。“我们现在能够做到这一点 - 建立一个定义明确的单分子器件,”Tao说。

  Tao集团开发的技术依赖于称为AC调制的属性。“基本上,我们对分子施加一点周期性变化的机械扰动。如果有一个分子跨越两个电极,它会以一种方式响应。如果没有分子,我们可以说。”

  这个跨学科项目涉及芝加哥大学的Luping Yu教授,他为南佛罗里达大学提供了研究分子和理论合作者,Ivan Oleynik教授。该团队使用共轭分子,其中原子通过交替的单键和多键键合在一起。这种分子显示出大的导电性并且具有不对称的末端,能够自发地与金属电极形成共价键以产生闭合电路。

  该项目的成果提高了构建单分子二极管的前景 - 这是人们可以构建的最小设备。“我认为这很令人兴奋,因为我们能够看到一个单独的分子并与它一起玩,”陶说。“我们可以施加电压,机械力或光场,测量电流并观察响应。随着量子物理控制单个分子的行为,这种能力使我们能够研究与传统器件不同的特性。”

  化学家,物理学家,材料研究人员,计算专家和工程师都在新兴的纳米电子学领域发挥着核心作用,其中具有不同功能的可用分子动物园为创新提供了原料。陶还在研究分子的机械性质,例如它们的振荡能力。分子之间的结合特性使其成为新一代化学传感器的有吸引力的候选者。“就个人而言,我对分子电子学感兴趣,不是因为它们有可能复制当今的硅片应用,”陶说。相反,分子电子将受益于独特的电子,机械,光学和分子结合特性,使它们与传统半导体区别开来。

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