InfoMat: 单分子电磁开关

在过去一个多世纪中,微电子学、光电子学以及集成短路,取得了空前的迅猛发展,深刻改变了人类生活。这种进步主要归因于实验物理学家和工程师们开发了非常精密的“自上而下”的微纳加工技术,使得半导体硅基电子器件,如二极管、晶体管和存储元件等的尺寸不断减小,芯片集成度越来越高。然而,目前采用的互补金属氧化物半导体(COMS)技术在使电子器件进一步微小化中面临一定挑战和物理理论限制,摩尔定律将逐步失效。从相反的角度,采用“自上而下”的方式,利用单个分子或少数几个分子组装分子器件,并进一步集成功能电路,为补充解决传统硅基器件在微小化过程中遇到的困难和限制提供了崭新的思路和方向,是世界各国相互竞争的制高点。同时,单分子电子器件的发展也为研究分子本征特性和揭示新奇物理现象提供了可靠平台。

单分子电开关和自旋开关分别是分子电子学和自旋电子学中最重要的一类元件,是潜在的未来信息技术基础。近些年激起了来自物理、化学、材料、电子工程等领域的科学家的广泛研究兴趣。由于分子材料的多样性和易修饰性,通过合理的分子结构设计,可以构建在外界刺激下能够在两种或多种状态之间可逆相互转换的体系。这些状态变换包括分子结构、分子构型、电子态和自旋态等的变化。

最近,北京大学郭雪峰课题组从诱导可逆开关转变的外界刺激类型进行分类,包括光、电场、磁场、机械力和化学刺激,归纳总结了单分子电开关和自旋开关的近期研究进展(图1),在InfoMat上以题为“Electrical and spin switches in single-molecule junctions”在线发表(InfoMat 2019, DOI: 10.1002/inf2.12068)。作者同时也提出了单分子器件面临的一些挑战:1)器件的稳定性和重复性仍需提高;2)扫描隧道显微镜断裂结和机械可控断裂结制备的器件往往需要苛刻的测试条件,如超低温和高真空,限制了其实际应用。这方面基于碳基(碳纳米管和石墨烯)电极的器件可在室温环境条件下测试,展现了明显优势;3)单分子器件机制仍然存在一些争论问题;4)评估单分子电开关和自旋开关的标准还未完全建立,进一步整合多个器件构建功能电路还处在初步探索期。随着各种越来越尖端的器件加工/表征技术的发展和理论科学的进步,以及更多的科研工作者投入单分子科学这一重要领域,相信当前面临的挑战在不远的将来会被逐步解决,并会创造出一些的新机遇。相信这篇综述将为单分子电子学的研究提供独特的新思路,推动该领域的积极发展。