单分子绝缘体推动了现有技术的发展

不断缩小的晶体管是实现更快，更高效的计算机处理的关键。自20世纪70年代以来，电子技术的进步在很大程度上取决于这些微小元件同时变得更小和更强大的稳定速度 - 直到纳米级的当前尺寸。但近年来，随着研究人员努力解决晶体管是否最终达到其尺寸限制，这一进展已经取得了进展。阻碍进一步小型化的障碍列表中的高位：“泄漏电流”引起的问题。

当两个金属电极之间的间隙变窄到电子不再被它们的阻挡层包含时，就会产生泄漏电流，这种现象称为量子力学隧道效应。随着间隙持续减小，这种隧道传导以指数级增加的速率增加，使得进一步的小型化极具挑战性。科学界一致认为，真空屏障是减少隧道效应的最有效手段，使其成为绝缘晶体管的最佳选择。然而，即使真空屏障也可能由于量子隧穿而允许一些泄漏。

哥伦比亚工程学院，哥伦比亚大学化学系，上海师范大学和哥本哈根大学的研究人员在高度跨学科的合作中，颠覆了传统观念，合成第一个能够比纳米级绝缘的分子比真空屏障更有效。他们的研究结果今天在线发表在自然界。

“我们已经达到了研究人员为重新设计绝缘体开发创造性解决方案的关键所在。我们的分子策略代表了经典设备的新设计原则，有可能在短期内支持持续的小型化，”哥伦比亚工程物理学家和共同作者Latha Venkataraman是实验室的负责人，研究员李海星负责该项目的实验工作。分子合成在哥伦比亚大学化学系的Colin Nuckolls实验室与上海师范大学的Shengxiong Xiao合作进行。

该团队的洞察力是利用电子的波动性质。通过设计一个长度小于1纳米且表现出全面破坏性干涉特征的极其坚硬的硅基分子，他们设计了一种阻止纳米级隧道传导的新技术。

“这种基于量子干涉的方法为短绝缘分子设立了一个新标准，”主要作者，哥本哈根大学所罗门实验室的化学家Marc Garner说道，他负责理论工作。“从理论上讲，干扰可以导致完全取消隧道概率，我们已经证明，我们分子中的绝缘组件的导电性低于相同尺寸的真空间隙。同时，我们的工作也改进了最近的碳研究基于系统，迄今为止被认为是最好的分子绝缘体。“

当两个波的峰和谷完全异相放置时，发生破坏性量子干涉，从而消除振荡。电子波可以被认为类似于声波 - 流过障碍物就像声波通过墙壁“泄漏”一样。该团队的合成分子所展示的独特性能减轻了隧道效应，在此类比中，不需要更厚的墙壁。

他们基于硅的战略也提供了一种可能更加工厂化的解决方案。虽然最近对碳纳米管的研究在未来十年左右的时间里为工业应用带来了希望，但这种绝缘体 - 与当前的行业标准兼容 - 可以更容易实现。

“祝贺团队取得这一突破，”分子电子学领域的先驱马克拉特纳说，西北大学名誉教授没有参与这项研究。到目前为止，已经忽略了使用干涉来制造绝缘体。本文证明了在基于硅的sigma系统中干扰的能力，这是非常令人印象深刻的。

这一突破源于该团队在2010年开始的基于硅的分子电子产品的大型项目。该团队通过抵制这一趋势来实现他们的最新发现。该领域的大多数研究旨在产生高导电分子，因为低电导很少被认为是电子学中理想的特性。然而，由于较小器件中的漏电流引起的固有能量效率低下，绝缘元件实际上可能证明对晶体管的未来优化具有更大的价值。

因此，他们的工作已经对分子尺度器件中传导和绝缘的基本潜在机制产生了新的认识。研究人员将在此基础上进一步阐明硅基分子组分中结构 - 功能关系的细节。

“这项工作对我们来说非常令人满意，因为在此过程中我们反复发现了新现象，”Venkataraman说。“我们之前已经证明硅分子线可以起到开关的作用，现在我们已经证明通过改变它们的结构，我们可以制造绝缘体。在这个领域有很多东西要学习，这将有助于塑造纳米级电子学的未来“。