新方法：首次在硅芯片上建立分子电气触点

导读

近日，瑞士巴塞尔大学和IBM苏黎世研究院的化学家们开发出一种新方法，可以通过单分子在传统硅芯片上建立电气触点。这项技术有望带来感测器技术和医学方面的新进展。

背景

如今，小型化是智能手机与电子设备的重要发展趋势之一。电路的尺寸不断缩小，而功能却不断增多。但是传统硅基集成电路在小型化的过程中正面临一系列挑战，因此迫切需要新的技术来继续推进电子设备小型化。

早在上世纪七十年代，科学家们就提出用分子取代电线来构造电路，随着过去几十年的发展，这项技术逐渐成熟。在分子电子学领域，科学家们正在寻找通过单个分子取代硅来制造电路元件的方法。下面，首先举两个例子来回顾一下分子电子学的相关研究成果：

1）瑞士伯尔尼大学与英国国家物理实验室研究人员组成的国际研究团队开发出一种新方案，展示了分子可以共价链接到机械结构稳定的石墨烯基质上的。它有望成为下一代分子电子学器件的理想候选方案。

（图片来源：Alexander Rudnev/瑞士伯尔尼大学）

2）德国PDI固体电子学研究所、柏林自由大学、日本电报电话公司基础研究实验室、美国海军研究实验室构建出一个可被精准控制的分子晶体管。这种分子晶体管标志着科学家向着更高级的小型电子器件迈出了重要的一步。

（图片来源：美国海军研究实验室）

分子具有独特的电子特性，因此可实现传统硅技术无法实现的应用。然而，这需要在分子两端，通过可靠且低成本的方法制造电气触点。

创新

近日，瑞士巴塞尔大学和IBM苏黎世研究院的化学家们开发出一种新方法，可以通过单分子在传统硅芯片上建立电气触点。相关论文发表在《自然（Nature）》期刊上。这项技术有望带来感测器技术和医学方面的新进展。

技术

研究人员们开发出一种建立单分子电气触点的方法。他们的方法将纳米颗粒薄膜沉积到分子上，同时又不影响分子特性，同时制造出几千个稳定的金属-分子-金属元件。这种方法采用了链烷二巯基物（ alkane-dithiol）化合物，该化合物由碳、氢和硫构成。

研究人员采用了一种类似三明治的结构，其中的分子夹层与其上层和下层的金属电极发生电气接触。下方的电极由铂构成，并涂有一层不导电的材料。 然后，这一层蚀有微孔，形成不同尺寸的隔间图案，里面与铂电极产生电气接触。

然后，研究人员利用特定分子的自组装能力。在微孔图案上，研究人员施加了一种含有链烷二巯基物分子的溶液，这些分子自组装到微孔中，形成紧密压缩的单分子膜层。在这层膜中，单个分子呈现出规则的排列以及与下方铂电极之间的电气连接。分子层与上方由金纳米颗粒组成的电极产生电气接触。

微孔内填有分子，通过下方的铂电极和上方的金电极产生电气接触。硅晶圆的截面含有几千个具有电气接触点的微孔。

（图片来源：IBM苏黎世研究院）

价值

这项新技术很大程度上解决了之前阻碍制造分子电气触点的问题，例如很高的接触电阻或者由于长丝贯穿薄膜引起的短路。这种方法制造出的模块可在标准条件下操作，并具有长期稳定性。进一步说，这个方法可应用于其他的各种分子系统，并为在固态设备中集成分子化合物开辟了新的途径。它的应用包括感测器技术和医学领域的新型仪器设备。

巴塞尔大学化学工程系教授 Marcel Mayor 表示：“我们的方案将帮助加速通过化学方法制造并可控的电子和感测器元件的开发。”

关键字

分子电子、感测器、半导体

参考资料

【1】https://www.unibas.ch/en/News-Events/News/Uni-Research/Electrical-contact-to-molecules-in-semiconductor-structures-established-for-the-first-time.html

【2】Gabriel Puebla-Hellmann, Koushik Venkatesan, Marcel Mayor, and Emanuel L?rtscher Metallic nanoparticle contacts for high-yield, ambient-stable molecular-monolayer devices Nature (2018), doi: 10.1038/s41586-018-0275-z