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分子电子学

1974-11-15

Ari Aviram
Mark Ratner

分子电子学探索利用单个分子或纳米级分子集合作为基本电子元件。该方法旨在构建微型化极限的电路，远远超越传统的硅基技术。关键元件包括分子线、开关和整流器，它们利用电子隧穿分子轨道等量子力学特性来实现功能。

分子电子学的概念由阿里-阿维拉姆（Ari Aviram）和马克-拉特纳（Mark Ratner）于 1974 年首次提出，代表了从自上而下的光刻技术到自下而上的自组装技术的范式转变，从而创造出电子电路。他们的开创性论文提出了一种分子整流器--D-σ-A 分子（Donor-sigma bridge-Acceptor），可使电流优先流向一个方向，类似于半导体 p-n 二极管。其原理依赖于分子能级（HOMO 和 LUMO）在外加偏置电压下的排列。当施加电压时，电子可以从一个电极通过分子轨道隧穿到另一个电极。D-A 结构的不对称性产生了不对称的电流-电压（I-V）特性，这是整流的基础。

除了简单的整流器，研究人员还展示了分子电线（如共轭聚合物），利用光、热或电场在 "开 "和 "关 "状态之间切换的开关，甚至分子晶体管。主要的挑战在于如何将这些微小的分子与宏观电极可靠地连接起来，并制造出稳定、可重复的装置。扫描隧道显微镜（STM）断裂结和机械可控断裂结（MCBJ）等技术被用于实验室环境中测量单分子的电导率。虽然全面的分子计算机仍是一个遥远的目标，但这些原理已被应用于分子传感（分子与特定目标分析物结合后，其电子特性会发生变化）和有机发光二极管（OLED）等领域，后者依赖于电荷在有机分子薄膜中的传输。

该领域高度跨学科，融合了量子化学、材料科学和凝聚态物理学。它不仅有望实现极致微型化，还能利用单个分子独特的量子特性实现全新功能，从而有可能开发出功耗更低、计算模型全新的设备。