基于量子干涉的单分子晶体管面世

JAMES THOMAS

随着晶体管变得越来越小，以便在更小的占地面积内容纳更多的计算能力。一个由英国、加拿大和意大利研究人员组成的团队开发了一种利用量子效应的单分子晶体管，利用量子干涉来控制电子流。

这一成果为在电子设备中使用量子效应带来了新的可能性，有望催生比现有设备更小、更快、更节能的新型晶体管，以制造新一代电子设备。在低温下，单分子器件显示出电流的强烈变化，栅极电压只有很小的变化，接近被称为亚阈值摆动的物理极限。接近或超过这一极限将允许晶体管以更低的电压进行切换，使其更高效，产生更少的废热。包括伦敦玛丽女王大学物理学家在内的研究团队利用量子干涉如何改变单分子中的电流来实现这一点。

这种设计避开了传统晶体管小型化的陷阱。伦敦玛丽女王大学的量子技术专家James Thomas说：“随着晶体管越来越小，电子就会从源极到漏极进行量子隧穿。” “这意味着你无法真正关闭它，”他说，“这几乎是小型化的必然结果。”

另一条电子路径

Thomas和他的同事们想为电子提供另一条路径，所以他们精心设计了一个单分子晶体管来控制电子的流动。该晶体管由一端固定在石墨烯源极和漏极上的单个锌卟啉分子组成。卟啉与血红素和叶绿素中发现的结构相似。研究小组之所以选择它，是因为它具有良好的电子性能，而且他们把它比作化学乐高积木。很容易粘附在有助于使分子可溶或与石墨烯化学结合的官能团上。当电压施加到栅极电极时，电子可以从一个石墨烯电极通过卟啉分子并进入另一个石墨电极。

由于卟啉分子的大小和设计，以及石墨烯电极边缘的电子行为，电子不会像简单的粒子一样通过这个单分子晶体管。它们的波动性占主导地位。当晶体管导通时，电子进行相长干涉，相互增强。当它关闭时，卟啉通道中的电子会相互干扰。这种破坏性干扰意味着该器件几乎没有泄漏电流。

哥伦比亚大学的应用物理学家Latha Venkataraman没有参与这项工作，她说，最小化晶体管的亚阈值电压是电子行业的主要障碍之一。“它们非常接近极限，”她说。

寿命一直是单分子电子学的一个问题。但量子干涉晶体管可以在不损坏的情况下切换数十万次。Thomas说，它的性能与碳纳米管晶体管相当，但其沟道长度要短得多，因为分子只有2.1纳米长。碳纳米管器件通常具有7-10nm的通道长度。

伦敦玛丽女王大学的项目物理学家Jan Mol说：“原则上，我们已经证明，你可以使用破坏性量子干涉来做一些有用的事情。” 尽管如此，他和Thomas预计他们的量子干涉晶体管不会很快出现在产品中。

前方的单分子道路

Thomas说：“单个晶体管并没有那么有用。”下一步将是在一个芯片上连接多个设备，以构建简单的逻辑门，然后是一台简单的计算机，就像碳纳米管晶体管所做的那样。

Thomas提到，这样的谈话是本末倒置。研究人员不知道如何可靠地制造石墨烯电极，因为石墨烯的原子级结构决定了器件的性能。“石墨烯电极的结构非常重要，”Mol说，“你必须非常小心石墨烯的边缘。”

Mol说：“这种晶体管的想法源于科学的好奇心。”他的团队对研究电流如何流经分子感兴趣。有机化学家知道如何逐个原子地调整分子。如果科学家们能够想出如何设计一个分子，以便在晶体管中充当近乎完美的通道，他们应该能够构建它。Mol和其他人正在努力学习使这成为可能的分子设计规则。他说，构建量子干涉晶体管花了大约十年的时间，这是一个由化学家、材料科学家和物理学家组成的团队，这些晶体管制造器件需要大量的工作和耐心。

研究人员在近日发表在《自然纳米技术》杂志上的一篇论文中描述了他们的工作（https://www.nature.com/articles/s41565-024-01633-1）。