如今，小型化成為了電子器件最重要的發(fā)展趨勢(shì)之一，電子元器件的設(shè)計(jì)尺寸已縮小至納米級(jí)別。“摩爾定律”指出：“當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。”

但是近年來(lái)，摩爾定律似乎正在面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，芯片上晶體管的尺寸縮小與數(shù)量增加的速度正在放緩。因此，我們迫切需要新的技術(shù)來(lái)繼續(xù)推進(jìn)電子設(shè)備小型化。

早在上世紀(jì)七十年代，科學(xué)家們就提出用分子取代電線來(lái)構(gòu)造電路。經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)漸趨成熟，形成了一個(gè)新的前沿科技領(lǐng)域：分子電子學(xué)。

分子電子學(xué)研究的是分子水平上的電子學(xué)，其目標(biāo)是用單個(gè)分子、超分子或分子簇代替硅基半導(dǎo)體晶體管等固體電子學(xué)元件組裝邏輯電路，乃至組裝完整的分子計(jì)算機(jī)。

創(chuàng)新

日本東京工業(yè)大學(xué)科學(xué)院副教授TomoakiNishino領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)也在分子電子學(xué)領(lǐng)域展開(kāi)探索，他們正研究的是單分子器件。

Nishino解釋道：“終極的小型化有望通過(guò)分子電子器件實(shí)現(xiàn)。在分子電子學(xué)領(lǐng)域，單分子被作為功能元件使用。”

技術(shù)

然而，正如你所料想的，通過(guò)單分子創(chuàng)造電子元器件并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。由單分子組成的功能器件非常難以制造。更進(jìn)一步說(shuō)，包含它們的接觸點(diǎn)（電氣觸點(diǎn)）壽命較短，這樣使得它們難以應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)基于之前的工作推斷出，一種形成聚合物的長(zhǎng)鏈單體（單分子），相對(duì)于比較小的分子來(lái)說(shuō)，表現(xiàn)得更好。

為了證明這個(gè)想法，他們采用了一項(xiàng)稱為“掃描隧道顯微鏡（STM）”的技術(shù)。在這項(xiàng)技術(shù)中，尾端是單原子的金屬針尖用于測(cè)量極小的電流，以及當(dāng)針尖在目標(biāo)表面（如下圖所示）上與一個(gè)原子或者多個(gè)原子創(chuàng)造出電氣接觸點(diǎn)時(shí)的電流波動(dòng)。

由STM針尖與聚合物創(chuàng)造出的單分子接觸點(diǎn)

團(tuán)隊(duì)通過(guò)STM創(chuàng)造出由針尖與一個(gè)稱為“poly(vinylpyridine)”的聚合物或者它對(duì)應(yīng)的單體“4,4'-trimethylenedipyridine”組成的電氣觸點(diǎn)，“4,4'-trimethylenedipyridine”被認(rèn)為是聚合物的成分之一。研究人員們通過(guò)測(cè)量這些接觸點(diǎn)的導(dǎo)電特性，試圖證明聚合物可用于制造單分子器件。

可是為了進(jìn)行分析，團(tuán)隊(duì)必須首先設(shè)計(jì)一種算法，使他們可以通過(guò)STM測(cè)量到的電流信號(hào)，提取出他們所感興趣的量。簡(jiǎn)單地說(shuō)，它們的算法使他們可以自動(dòng)檢測(cè)和計(jì)算出來(lái)自針尖與目標(biāo)表面隨著時(shí)間變化的電流信號(hào)中的小的穩(wěn)定期。這個(gè)穩(wěn)定期表明，在針尖和表面上的單分子之間創(chuàng)造出了一個(gè)穩(wěn)定的導(dǎo)電接觸點(diǎn)。

價(jià)值

研究團(tuán)隊(duì)采用這個(gè)方法，分析了通過(guò)聚合物及其對(duì)應(yīng)的單體創(chuàng)造出的接觸點(diǎn)上所獲取的結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)，作為電子元器件來(lái)說(shuō)，聚合物比單體具有更佳的特性。

Nishino表示：“未來(lái)實(shí)際應(yīng)用最重要的特性之一‘接觸點(diǎn)形成的可能性’，對(duì)于聚合物接觸點(diǎn)來(lái)說(shuō)更高。”此外，流過(guò)聚合物接觸點(diǎn)的電流，相對(duì)于流過(guò)單體接觸點(diǎn)的電流來(lái)說(shuō)，更加穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)（偏差較小）。

該研究團(tuán)隊(duì)所展現(xiàn)的成果，揭示了聚合物作為未來(lái)電子器件小型化構(gòu)成要素的巨大潛力。聚合物是否會(huì)成為突破新的物理極限的關(guān)鍵？但愿時(shí)間會(huì)給出答案。