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分子电子学器件研究进展一瞥


□ 陈 灏

  摘要 文章综述了作为硅半导体CMOS器件的下一代电子学器件——分子电子学器件的研究进展,介绍了分子电子学器件的原理,分子电子学器件的理论与实验分歧的解决情况,分子电子学器件涉及的诸多量子力学效应,以及在分子晶体管研究上实验和理论的最新成果。
  关键词 分子晶体管,扫描隧道显微镜,自组装技术,密度泛函理论,非平衡态Green函数方法
  
  1 引言
  
  最近几十年来,硅基半导体器件几乎是沿着Moore定律飞速发展,每18个月芯片集成度就增长一倍,成为现代科技的一项奇观,器件工程师们还在继续努力,使新技术成就不断涌现:IBM公司实现了3维芯片堆叠技术,与2维芯片相比,增加百倍的信息通道,他们最新研制的Power5芯片采用自组装技术,用真空间隙在32nm芯片上隔离导线,使芯片性能提高10%-15%,Intel公司45nm芯片已经面市,其生产的相变内存芯片可能取代传统内存,尽管上述技术创新不断扩展着硅基半导体器件的寿命,但是大家都知道,由量子力学原理,电子波长就大约有10nm。再加上芯片功耗和新工艺的经济成本等因素,最终将制约硅半导体的集成度,使之有个不可逾越的发展极限,因而从下向上构建新一代器件成为当前学术研究的一个热点,比如DNA生物器件,碳纳米管器件和分子电子学器件等都在竞相发展此外量子计算则从另一方面寻求突破,2007年8月底,IBM公司在Science期刊上同时发表两篇研究论文,介绍了他们在单原子自旋器件和单分子开关器件研究上的最新进展,如果分子器件的设想得以实现,人们将在原子和分子层次上传递数据、作计算,那么笔记本电脑将可具有现今顶级超级计算机的功能,手机一类便携电子器件可以存贮上万部高清电影让人们随时欣赏,前景十分诱人。
  分子电子学器件是一个快速发展的领域,许多新的理论和实验工作正不断涌现,给我们带来惊喜,由于存在大量重要成果,囿于作者涉猎所限,难免有所疏漏,仅希望能对读者走向斑斓多彩的分子器件世界有所助益。
  
  2 分子器件原理
  
  许多含π键的有机分子可以用作分子电子器件,苯分子是一个典型的例子,苯分子中6个碳原子(C)构成一个正6边形的环,每个碳原子外接一个氢原子(H),碳原子环构成共轭π键具有良好的导电性能,苯分子线度(两个最远的氢原子间距)约为0.5nm,化学家可以把这两个在一直条线上的氢原子用硫原子(s)取代,以便与金(Au)导线相连接,用量子力学原理可以计算得到孤立的苯硫醇分子的电子能级是一系列分立能级:电子从低能级往上占据,最高被占据分子轨道的能级称为EHOMO,它上面就是最低未占据分子轨道的能级EHOMO,把苯分子通过金导线接在直流电源上形成回路,如果EHOMO或EHOMO落在左右金导线的电子费米能级μ1=EF+1/2eV和μ2=EF-1/2eV之间,就会有电流流过分子,同时分子能级会发生移动和显著展宽,这种展宽描述了分子与导线的耦合,EHOMO导电,属于电子导电,而EHOMO导电,则属于空穴导电,有机分子就是借助这些分子能级进行导电,通常可用外加光、电场调控分子的部分结构,或用横向门电压来改变分子能级位置,进而达到控制分子电流的目的。 ......
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摘自:物理
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