英特尔(Intel)联合创始人戈登摩尔(Gordon Moore)注意到半导体技术的惊人进步，他提出，芯片上的晶体管数量每年将增加一倍。自他1965年提出这一观点以来，这一观察结果就一直存在。然而，摩尔不太可能预见到目前电子革命的程度。今天，一种具有独特性能的新型装置正在研制中。随着超小型化进程的加快，研究人员已经开始探索分子尺度上物理和化学性质的交叉技术。在这个快节奏领域的进步可以改善数据存储和信息处理设备，并帮助开发分子开关，以及其他创新。陶恩建和合作者最近描述了一系列关于单分子电导的研究。在如此微小的规模上创造电子产品面临许多挑战。在超微小的世界里，量子世界的特殊性质占主导地位。在这里，电子以电流的形式流动，表现得像波，并受到一种称为量子干涉现象的影响。
博科园-科学科普：操纵这种量子现象的能力可能有助于开发具有不同寻常特性的新型纳米电子设备。感兴趣的不仅是测量单个分子的量子现象，还包括控制它们。这使我们能够理解分子系统中的基本电荷传输，并研究新的设备功能。陶是生物电子和生物传感器生物设计中心的主任，在发表在《自然材料》(Nature Materials)上的一项研究中，陶和来自日本、中国和英国的同事勾勒出了实验的轮廓。研究人员探索了分子的电荷传输特性，证明了电子的幽灵波性质（即量子干涉）可以在分子的两种不同构型下被精确地调制，这两种构型被称为Para和Meta。结果表明，量子干涉效应可以引起分子尺度器件电导性质的显著变化。通过控制量子干涉，研究小组发现单个分子的电导率可以微调两个数量级以上。
精确、连续地控制量子干涉被认为是未来广泛的分子尺度电子学、高速低功耗电子学发展的一个关键组成部分。这种单分子器件有可能充当晶体管、导线、整流器、开关或逻辑门，并有可能在超导量子干涉器件(SQUID)、量子密码学和量子计算等未来应用领域找到出路。在目前的研究中，分子(环状碳氢化合物，可以以不同的构型出现)被使用，因为它们是分子电子学行为建模最简单和最通用的候选者之一，是在纳米尺度上观察量子干涉效应的理想对象。为了探测电荷通过单个分子的方式，人们进行了所谓的断裂结测量。测试包括使用扫描隧道显微镜或STM。所研究的分子位于STM器件的金衬底和金尖端之间。
STM的尖端反复地与分子接触或接触，当电流通过每个端子时，就会断开并重新形成连接。实验记录了数千条电导与距离的关系，实验中使用的两种分子的特殊分子特性改变了通过结的电子流。“Para”构型的分子比“Meta”构型的分子表现出更高的电导率值，这表明分子中存在结构量子干涉和破坏性量子干涉。使用一种被称为电化学门控的技术，研究人员能够连续控制两个数量级的电导。在过去，改变量子干涉特性需要对设备所用的载流子分子进行修改，目前的研究标志着首次在单个分子中进行电导调节。分子尺度上的电导受到涉及分子电子轨道量子干涉的敏感影响。具体地说，最高占据分子轨道或HOMO与最低未占据分子轨道或LUMO之间的干扰似乎是决定单个分子电导的主要因素。
利用电化学门电压，分子中的量子干涉可以被精确地调整，研究人员在理论计算和实验结果之间证明了良好的一致性，表明HOMO和LUMO对电导率贡献是对Para分子的加性，导致结构干涉。对Meta分子的减性，导致破坏性干涉，就像水中的波可以结合形成更大的波，也可以相互抵消，这取决于它们的相位。虽然之前关于单分子电荷输运的理论计算已经完成，但实验验证还需要等待纳米技术、扫描探针显微镜和形成分子与金属表面电功能连接的方法的大量进展。现在，由于分子电子学能够通过操纵量子干涉来微妙地改变电导，因此它可以进行广泛的创新。
博科园-科学科普｜研究/来自:亚利桑那州立大学
Richard Harth,Arizona State University
参考期刊文献:《Nature Materials》
DOI: 10.1038/s41563-018-0280-5
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