近日，厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室洪文晶教授研究团队，与英国兰卡斯特大学柯林·兰伯特院士团队合作，在室温下制备出了迄今为止世界上最薄的、厚度约为头发丝直径1/60000的单分子电子器件……
近日，厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室洪文晶教授研究团队，与英国兰卡斯特大学柯林·兰伯特院士团队合作，在室温下制备出了迄今为止世界上最薄的、厚度约为头发丝直径1/60000的单分子电子器件。该研究成果以“Cross-plane transport in a single-molecule two-dimensional van der Waals heterojunction”为题，在线发表于国际期刊《科学·进展》（Science Advances）上（Sci. Adv. 2020, 6, eaba6714）。
半导体被喻为国家的“工业粮食”，其中硅基微电子器件占据了主导地位，在集成电路和芯片的发展进程中，电子器件的小型化一方面使器件的性能不断提升，是驱动信息技术发展的重要动力。
但硅基器件小型化正逐步逼近其物理极限，带来诸如热耗散、量子隧穿效应等一系列技术挑战。采用自下而上的方式构筑新型分子电子器件，是推动半导体器件进一步小型化的重要潜在技术路线之一。因此，探索电子器件小型化的尺寸极限具有重要的科学意义和技术价值。
在这一工作中，厦门大学π-Lab研究团队通过自主发展能够精准构筑和表征单分子器件的科学仪器技术，实现了两片单层石墨烯电极间距的精确调控，以此将单个平面有机分子连接在两片单层石墨烯电极之间，从而构筑了具有三明治结构、导电通道长度仅为单原子层厚度的单分子范德华异质结器件。进一步选用9种多环芳烃化合物构筑出了一系列单分子二维范德华异质结，并实现了对该类器件的电输运性质的系统电学表征。与传统的单分子电子器件所通过面内输运（in-plane）不同的是，单分子二维范德华异质结的电输运是采用层间输运（cross-plane transport）。虽然导电通道仅有单原子层厚度，但是通过对分子共轭程度乃至拓扑结构的精细调节仍然可以显著改变单分子电子器件的电子输运能力。该工作所发展的构筑技术，还可以拓展到其他二维材料和分子体系，从而为新型单分子二维材料范德华异质结器件的设计、构筑和表征，提供了独特的表征技术和研究方法。
他们还发现，虽然导电沟道长度远远小于传统的单分子电子器件（通常为二到五纳米）和硅基电子器件（通常为十到数十纳米），有机分子层的微小结构区别仍会对这类器件的电学性能产生数十倍的显著变化。
该研究工作是在π-Lab洪文晶教授、杨扬副教授和英国兰卡斯特大学Colin J.Lambert教授的共同指导下完成的。π-Lab博士生赵世强、硕士生皮九婵（已毕业）、刘俊扬副研究员和英国兰卡斯特大学博士后Qingqing Wu为共同第一作者。π-Lab师佳副教授、陈招斌高级工程师、化学化工学院肖宗源副教授和博士生郑珏婷、李瑞豪、萨本栋微纳米研究院硕士生魏珺颖（已毕业）也参与了本项研究工作。该工作得到国家重点研发计划项目（2017YFA0204902）、国家自然科学基金委（21722305, 21973079, 21673195, 21933012, 21703188）、福建省自然科学基金杰出青年基金项目和厦门大学校长基金的资助，以及固体表面物理化学国家重点实验室、能源材料化学协同创新中心及嘉庚创新实验室的支持。
柯林•兰伯特院士团队通过理论计算揭示，这一器件展现了和之前传统单分子电子器件显著不同的新奇电子输运性质，不同分子结构可以有效调控电子通过这一器件的量子隧穿效应，从而为新型分子器件的设计和制备提供了全新思路。
“这一仅超薄分子电子器件，展示了纳米尺度电子输运的独特量子隧穿特性，也充分体现了分子电子器件在未来半导体器件小型化领域的重要潜力。”洪文晶说。
论文地址：https://advances.sciencemag.org/content/6/22/eaba6714
责编：Luffy Liu
本文综合自厦门大学新闻、证券时报、科技日报报道
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