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二极管| 是半导体电路最基本的单元，电流只被允许从一个方向通过。一般来说，二极管是用化学掺杂的办法，在硅电路上“雕刻”出来的。但要让二极管缩小到分子级别，这种办法就不适用了。如今化学家别出心裁，借助简单的离子溶液实现了电流单向性，这使得电流可以在极小尺度上区分“0”和“1”。通向“后摩尔时代”的创新电路，雏形已经有很多，哪一种能率先商用我们还不知道。一旦实现，我们的手机和电脑就百倍提速而且不发热了。 |
日前，哥伦比亚大学（Columbia University）工程学院的研究人员们开发出了一种能够用于打造单层二极管的技术，而且这种分子二极管能够比当前的纳米二极管快上50倍。
由应用物理学副教授拉莎·文卡塔拉曼（Latha Venkataraman）率领的这支团队，或许也是首个成功打造出了可投入实际应用的单分子二极管的团队。有关这项新发现的论文详情，已经发表在2015年5月25日的《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）期刊上，题名为Single-Molecule Diodes with High On-Off Ratios through Environmental Control。
随着电子设备越来越小的趋势，分子电子学在解决其未来小型化问题中的地位越来越重要，因为单分子代表了小型化的极限。Venkataraman说道：我们的新方法创建了具有高整流（大于250）和高电流（0.1微安左右）的单分子二极管。在纳米科学界，构建单分子大小的活动单元一直是一个梦想。自从Aviram和Ratner 1974年发表开创性论文之后，这一梦想成为了分子电子学界的崇高荣誉，代表着实现电子设备小型化的终极目标。
Aviram和Ratner推测一个分子可以作为一个整流器和单向电流导体。研究人员已经开始探索分子的电荷传输特性，并证明了连接到金属电极的单个分子可以作为各种电子元件，包括电阻、开关、晶体管和二极管。同时，研究人员也认识到其中会有量子力学效应，如分子结点处的电导特性的干扰。
不过，它们的“电流开关比率”（整流比/rectification ratio）实在太低，以至于被认为是无效的。因为二极管是电子阀门，它需要非对称结构，从而可以使电流在不同方向传输时具有不同的环境。为了开发这种非对称单分子二极管，Venkataraman的团队已经设计出具有简单非对称结构的分子——用“环境不对称”取代了“分子不对称”。
也就是说，将分子二极管用电解质（离子溶液）和各种尺寸的金电极包裹起来，并使用金材质的电极接触分子，从而在分子环境的连结点形成一种非对称性。
最终，研究人员取得的整流比率是250，这是先前设计的50倍之多。这种分子二极管实现了0.1微安的电流，尽管这看似有些不起眼，但对于单个分子来说，其通过的电流已经相当之高了。Venkataraman表示，这项研究很容易重现，未来有望应用到纳米装置上，比如石墨烯和碳纳米管。
Brian Capozzi是与Venkataraman副教授一起工作的博士生，也是论文的主要作者。他说道：虽然这些不对称分子的确显示出了类似二极管的特性，但他们是无效的。一个精心设计的二极管不仅应该使得电流在开方向流动，还应该让大量电流在另外的关方向流动。不对称分子设计会受到开和关方向上低电流的影响，并且开和关方向的电流比率会变得很低。理想状态下，开电流和关电流的比率，以及整流比例，都应该是非常高的。
Venkataraman说道：使用化学和物理学的概念，设计一个具有一定功能的分子电路是令人惊叹的。分子的长度尺度是如此之小，以至于量子力学效应在其中影响重大。因此，我们在无法物理观察和感知的情况下制造分子设备本身就是一种胜利。
她和她的研究团队正致力于理解这一发现的基本物理知识，并试图使用分子系统来增加整流率。 |
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发表于 2015-6-12 11:55:14
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