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分子电子学

1974-11-15
  • Ari Aviram
  • Mark Ratner
实验室环境中的分子电子元件,包括分子导线和开关。

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。

UNESCO Nomenclature: 2205
- 电子产品

类型

抽象系统

中断

基础

使用方法

新兴技术

前体

  • 电子的发现
  • 量子的发展 力学
  • 复杂有机分子的合成
  • 半导体二极管的发明
  • 扫描隧道显微镜(STM)的发展

应用

  • 分子级传感器
  • 超高密度数据存储
  • 有机发光二极管(OLED)
  • 分子计算架构的潜力

专利:

NA

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