近日，據外媒消息，位于Rüschlikon的蘇黎世IBM研究所、巴塞爾大學聯手蘇黎世大學的研究人員在《自然》雜志上發表了一種在硅片上創造單個分子電氣觸點的新方法。這一項進展將為開發傳感器以及操縱單個分子的電子或光子應用開辟了一條新道路。

圖片來源：IBM Research-Zurich

回溯20世紀70年代中期，研究人員發現了一種具有有趣電子特性的單分子，如二極管，人們當時對其寄予厚望，認為這將促進半導體技術的發展，這種技術可能會與硅基電子產品競爭。

然而，為這種單分子建立電氣觸點只能在實驗室里展開。雖然可以通過掃描隧道顯微鏡（STMs）的技巧與這些分子進行接觸，但這實驗必須在真空與低溫條件下進行。另外，由于它們在其所承認的分子電流中差別很大，因此單一的電路難以復制。這些限制因素就是迄今為止分子電子設備仍未誕生的主要原因。

來自IBM研究所的《自然》雜志論文合著者Lortscher表示，“我們需要制造常溫穩定的設備，，并且能夠放置在強大平臺上的，比如數十億數量的硅片能夠與CMOS技術競爭一樣。”

為了實現這一目標，研究人員首先嘗試了一種用硅做成“三明治”的方法，可惜并不奏效。他們在一顆硅晶片上制造了鉑電極，并用一層薄薄的非導電材料覆蓋在上面。接著再使用傳統的蝕刻技術在這一層打造了納米孔。然后再使用烷基二硫醇分子溶液填充納米孔的孔隙，使溶液中的分子在孔隙中形成一個自組裝單層膜，單層密集的平行分子。

研究人員試圖用另一薄鉑層覆蓋這些納米孔以形成上層接觸。但是，在這種方法下，分子和接觸層之間的距離變化所引起的接觸電阻差異很大。由此產生的設備無法投入使用。之后他們也嘗試使用石墨烯，但結果不如所愿。

慶幸的是，研究人員最終找到了一個簡單的解決方案。他們的解決方案是：在毛孔中填充自組裝單層膜（SAM）材料后，用金納米粒子覆蓋毛孔中的自組裝單層膜。因為這些納米粒子足夠大，不會落在自組裝分子之間，與分子接觸時不會破壞分子或改變其性質。“納米粒子會自動調整到分子的大小，“巴塞爾大學的馬塞爾校長如是說道，”現在看起來很簡單，我們為了達到這個目標做了很多工作。”

據《自然》雜志的報告介紹，研究人員在晶圓上創造了大約3000個納米孔，每一個都有自組裝的分子。他們在測試分子對應用電壓的反應時發現，對于同樣大小的毛孔，其反應的擴散是非常小的。盡管由于缺陷，孔隙中個體分子的接觸電阻可能不同，但是通過這種自組裝單層膜（SAM）方法，他們能獲取一個有效的平均樣本。

參與這項研究的巴塞爾大學馬塞爾校長表示，不確定SAM分子設備是否能夠與硅設備競爭數據存儲或交換。他說道，由于自組裝分子的電性能受到其他分子的影響，所以它們可以用于感知應用，例如，SAM分子具有pH敏感性，當它們暴露在某些蒸汽或溶劑中時，它們會重新排列結構或引起膨脹。“這就是產業界對這些設備感興趣之處，他們對更精確的分析設備的應用翹首以盼。”來自斯坦福大學的材料科學家Zhenan Bao對此表示贊同，“單個分子間的穩定接觸一直是一個重大挑戰。令人印象深刻的是，它們得到了可重復的結果，電傳導隨分子的長度而伸縮。這種方法對將來制造分子記憶和電路或許非常有效。”

然而，這項研究方法也受到了專業人士的質疑，韓國慶北大學研究員金永京（Youngkyoo Kim）對于將SAM裝置作為傳感器持保留態度，他表示，“我覺得目前的納米粒子和自組裝方法在大規模制造分子裝置的電氣觸點方面聽起來不錯，但是性能重現性和穩定性仍然是一個需要克服的大難題。就目前的裝置結構而言，金屬電極（包括金屬納米粒子）和SAM層都需要很好地封裝，才能保證穩定的運行。”