仔细看你周围，无论是用于工作学习的电脑，还是用于娱乐通讯的手机，或者是交通灯中的单片机控制单元，都离不开现代半导体工业的最基本元件——晶体管（transistor）。过去的五十年，晶体管集成技术一直按照摩尔定律预测的那样发展：集成电路上可容纳的晶体管数量大约每隔1-2年便会增加一倍，性能也随之翻倍
然而，五十年过去了，摩尔定律似乎走到了尽头，随着晶体管特征尺寸的不断减小，一些不可避免的问题开始显现：工艺的均匀性，量子隧道效应的出现，信号串扰加剧，器件散热问题。为了解决这些问题，人们不得不开始思考晶体管发展的新思路。
图丨英特尔3D技术晶体管
五年前，科研人员证实了用一个单分子来制备晶体管的可行性。此后大量的研究组开始跟进这个想法，然而一直没有制备出实际的器件，直到最近，来自哥伦比亚大学的研究组宣布，他们制备出了只含有一小束原子的二极管，通过给这个二极管上加电压，可以控制它在绝缘体和导体之间转化，并且每次只会让一个电子通过。
最近，发表在《自然·纳米技术》的论文中，哥伦比亚大学的研究者们描述了这种原子团簇二极管，它的核心只含有14个原子，并且几何排列上非常有序。他们将这种原子团簇连接到金电极上，通过给原子施加偏压，来检验它的电学响应。通过这种方案，研究者们创造出了这种具有电流阻塞效应的器件，这种器件不仅可以在常温下工作，并且有很强的重复性。
图丨哥伦比亚大学研究人员制备的连接在金电极上的单分子晶体管（图片来自BonnieChoi/ColumbiaUniversity）
哥伦比亚大学研究组负责人LathaVenkataraman表示，虽然过去有很多具有单电子晶体管(single-electrontransistor)功能的器件,但是大多数没有很好的重复性，而且几乎都没有显示出在常温下也具有单电子晶体管的功能。
“这项工作的一个非常重要的创新点是，我们在原子尺度下，用14个原子组成的非有机分子精确地制备出了这种器件，”LathaVenkataraman解释道，“并且我们还用了一种很新颖的方法：只用两个依赖于周围电化学环境的接线端来连接器件。”
在这种电化学环境中，研究人员可以通过改变加在器件上的偏置电压，从而改变晶体管分子周围的离子浓度，给团簇充电。“通过改变团簇周围的静电环境，我们可以改变它的电荷态，使电流可以通过这种单分子结。”Venkataraman说。
“我们发现这种原子团簇作为纳米尺度下的二极管在常温时表现出良好的性质，并且可以通过改变化学组分来调整它的电学响应。”Venkataraman在一份新闻稿中说。
在之前的研究中，量子点（QuantumDots）器件或多或少具备一些这种电子团簇器件的功能。实际上，量子点是一种能够储蓄少量电子的半导体器件，类似于一个人造原子，但量子点没有完美的可重复性，有些很小另外一些却很大，导致它们的特性不能始终一致。
然而，哥伦比亚大学的研究人员表示，他们可以控制原子团簇的结构，确保每次制备出的原子团簇器件的形状结构完全一致——这使得可重复地制备和测量大规模的这种原子团簇器件成为可能。“我们已经可以在原子尺度下精确地控制这种原子团簇，并且还能改变它的组成元素和结构，从而得到想要的电学响应”，Venkataraman说。
除了拥有很好的重复性以及能够在常温下工作，这种器件还具备其他种类分子晶体管所不具有的极高的开关比。由于具有很高的开关比，这种原子团簇器件会显示出所谓的电荷流有序模式（sequentialmode），也就是每一个通过分子结的电子在离开结前，都会短暂的停留在原子团簇上。相比之前基于分子结的器件，由于电子从一个电极到另一个电极是连续的，所以不能得到每一瞬间电子的数量。
“我们说原子团簇充电，是因为通过分子束的电子在跳入另一个金属电极前，它存储了这个额外的电子，”文章的共同作者BonnieChoi说，“这种有序，或者说离散的传导模式是由于原子团簇特别的电荷结构，这种结构会强烈地限制电子在局域化的轨道上。”
BonnieChoi补充道，当加上一个很低的偏置电压时，这些电子的轨道还会导致器件出现“电流阻塞（currentblockade）效应”。
“在很小的偏置电压下，由于金属电极上的电子没有足够的能量去占据一个轨道，电流会下降到一个很低的值，”Choi说，“当偏置电压增加时，原子团簇上的第一级轨道开始对电子开放，电子开始跳上跳下原子团簇，使得原子团簇开始连续的充电和放电。阻塞效应消失，电流开始流过团簇。”
在未来的研究中，该研究组将要进一步增加器件的开关比，保证器件精度和均匀度的同时增加原子的数量。
-End-
编辑：陈臻
参考：
转载请注明：http://www.0431gb208.com/sjszlff/13.html
