首款单分子二极管整流性能高50倍

    美国哥伦比亚大学工程学院(ColumbiaEngineering)的研究人员们宣称开发出首款单分子二极体，可实现比以往设计更高50倍的整流性能，从而可为奈米级元件催生现实世界的技术应用。

    这项研究目前正在该校应用物理学副教授LathaVenkataraman的指导下进行。

    “我们的新方法创造了一种具有高整流率(>250)与高导通电流(~0.1μA)的单分子二极体，擵enkataraman表示，?#24314;构一款仅以单分子为活性元素的元件，一直是奈米科学长久以来难以实现的梦想。同时，这也一直是分子电子学自Aviram与Ratner在1974年发表开创性论文以来所持续追寻的神圣目标；他们在论文中提到电子元件最终可望实现功能的微型化。?

    随着电子装置变得越来越小，分子电子学领域已经成为克服进一步微型化问题的关键，而单分子更表现出在微型化方面的局限。打造一款单分子二极体的想法是Aviram与Ratner在1974年所提出的理论，他们认认分子能够像整流器一样表现出单向的电流传导。

    从那时起，研究人员们不断探索分子电荷的传导特性。他们展示了连接在金属电子的单分子(单分子结)可作为多种电路元素，包括电阻器、开关、电晶体与二极体。他们还瞭解到能够在显现于单分子结的传导特性上看到量子力学效应，例如干扰等。

    由于二极体可作为电子阀，其结构必须是不对称的，才能使某一方向流动的电流经历与另一方向电流全然不同的环境。为了开发单分子二极体，研究人员们仅设计具有非对称结构的分子。

    ?#34429;然这种不对称分子的确展现一些像二极体的特性，但效果并不理想，?#19982;Venkataraman共同进行研究的博士班学生兼论文作者BrianCapozzi解释，?#35774;计良好的二极体应该让分子仅以一个方向流动棗即?#23548;通?#65288;on）电流，它可让许多电流以同一方向流动。非对称分子设计通常在导通与关断(Off)电流时遭遇非常低的电流，而且在这二者的比率通常也很低。理想上，开/关(on/off)电流的整流比应该是非常高的。?

    哥伦比亚工程学院教授LathaVenkataraman创造首款单分子二极体所用的分子绘图。二极体是电路的基本建构模组，可让电流以某一方向流动。

    为了克服与非对称分子设计有关的问题，Venkatarama与该校化学系助理教授LuisCampos的研究团队、加州大学柏克莱分校(UCBerkeley)?#20998;子工厂?MolecularFoundry)的JeffreyNeaton研究团队携手合作，专注于在分子结环境下开发非对称结构。他们利用简单的方法创造出环境的不对称棗以离子溶液围绕主动分子，并利用不同大小的金质金属电极接触分子。

    其研究结果所达到的整流比高达250:50，较以往的设计更高50倍。Venkataraman强调，在其元件中流动的?#23548;通?#30005;流更高达0.1?A，因此有更多电流通过单分子。而且，由于这种新技术的建置相当简单，因而能够应用于各种奈米级元件，包括以石墨烯电极制造的元件。

    ?#33021;够设计出这样一种分子电路是相当惊人的，它利用了来自化学和物理学的概念，并使其实现某些功能，擵enkataraman说，?#20854;长度规模较小，使得量子力学效应成为元件的绝对关键部份。因此，能够创造一些你永远无法实际看到但又能按预期表现的元件，才是真正的胜利。?

    Venkataraman目前正与其研究团队致力于瞭解在其重大发现背后的基本物理学，并利用新的分子系统，试图增加所观察到的整流比。

    这项研究是由美国国家科学基金会(NSF)与PackardFoundation共同赞助。

    这篇主题为?#21487;经由环境控制的高开关率单分子二极体研究?Single-MoleculeDiodeswithHighOn-OffRatiosthroughEnvironmentalControl)已发表在近期的《自然奈米技术》(NatureNanotechnology)期刊中。