单个分子在室温下可以作为可重复使用的晶体管。
哥伦比亚工程研究人员首次再现实现电流的阻断作用在室温下使用原子精确的分子，结果可能导致减少电气元件和提高数据的存储和计算能力。
哥伦比亚研究人员将一个单一的分子簇连接到金电极上，以显示它在室温下呈现出量子化和可控的电荷流。照片由Bonnie Choi /哥伦比亚大学提供。SMT贴片加工
以单分子为电子元件的分子电子学领域的一个主要目标是制造一种在室温下实现量子化的、可控的电荷流的装置。这一领域的第一步是研究人员证明，单分子可以作为可重复使用的电路元件，如晶体管或二极管，在室温下很容易操作。
Latha Venkataraman带领的团队，在哥伦比亚和沙维尔罗伊应用物理和化学教授，化学助理教授（艺术&；科学），发表的一项研究（DOI 10.1038 / nnano。2017.156）今天在自然纳米技术，是第一个可重复演示电流封锁能力开关设备的绝缘导通状态的电荷是添加和移除一个电子在室温下使用原子精确的分子簇。
Bonnie Choi，在罗伊组和工作共同第一作者的研究生，创造了一个单一的集群几何有序原子与无机芯仅仅由14个原子形成一个直径约0.5纳米的定位连接有线核心的两个金电极，多为电阻焊接到两金属电极形成一个宏观的电路（如灯泡中的灯丝）。
研究人员使用了扫描隧道显微镜技术，他们率先制造了一个连接到两个金电极的单簇连接，使它们能够在改变所施加的偏置电压时表征其电响应。这项技术使他们能够制造和测量成千上万个具有可重复传输特性的连接点。
“我们发现，这些集群可以执行非常好，室温纳米二极管的电响应，我们可以调整通过改变其化学成分，”Venkataraman说。理论上，单原子是最小的限制，但是单原子器件不能在室温下制造和稳定。有了这些分子团簇，我们就可以精确地控制原子的结构，并能以可控的方式改变元素的组成和结构，从而产生一定的电响应。
许多研究都使用量子点产生类似的效果，但由于量子点的尺寸大且尺寸不均匀，由于其合成的性质，结果无法重现，并非每一个用量子点制成的装置都具有同样的作用。Venkataraman Roy团队与较小的无机分子簇，形状和大小相同的工作，所以他们知道到原子尺度他们测量。
“大多数其他的研究创造了单分子器件，在四度时充当单电子晶体管，但对于任何实际应用，这些器件需要在室温下工作。我们做的，”Giacomo Lovat说，博士后研究员和文章的共同第一作者。“我们已经建立了一个具有多种状态和功能的分子尺度晶体管，我们可以控制流经的精确电荷量。看到分子内简单的化学变化，会对分子的电子结构产生深远的影响，从而导致不同的电学性质，这真是令人着迷。
该小组评估了二极管的性能，通过开/关比，这是电流流过设备的接通率和剩余电流仍然存在于其“关闭”状态。在室温下，他们观察到单簇结的开/关比约为600，高于迄今为止测量的任何其他单分子器件。特别有趣的是，这些结的特点是“顺序”的电荷流模式；每一个通过结的电子都在集群上停了一会儿。通常，在小分子结中，由所施加的偏压“通过”推动的电子通过一个电极向另一个电极连续跳跃，从而使分子在每一时刻的电子数不清晰。
罗伊说：“我们说，这个星团之所以被充电，是因为在跃迁电子跳跃到另一个金属电极之前的一个很短的时间间隔内，它储存了一个额外的电荷。”。这种连续的或离散的传导模式是由于星团特有的电子结构将电子局限在强局域轨道上。这些轨道也解释了当一个低偏置电压被应用到一个集群结时所观察到的“电流封锁”制度。当金属接触中的电子没有足够的能量占据一个簇轨道时，电流在低电压下降到很小的值。随着电压的增加，第一个变得精力充沛的星团轨道打开了一条可行的路线，电子现在可以跳上和离开星团，从而产生连续的“充电”和“放电”事件。封锁解除了，电流开始从交叉口流出。
研究人员为集群进行了探索，探索了组成变化对集群电反应的影响，并计划在最初的研究基础上进行研究。他们将设计更好的电气性能的改进集群系统（例如高开/关电流比，不同的可访问状态），同时增加簇芯中原子的数量，同时保持化合物的原子精度和均匀性。这将增加能量级的数量，每个能级对应于它们可以通过电压窗口访问的特定电子轨道。增加能量水平会影响器件的开/关比，也可能降低在低偏置电压下传输电子能获得更多能量时开关设备所需的功率。
“大多数的单分子运输调查已进行简单的有机分子，因为他们更容易的工作，”Venkataraman说。“我们通过哥伦比亚纳米倡议的合作努力将化学和物理联系起来，使我们能够尝试新化合物，比如这些分子簇，它们不仅具有更综合的挑战性，而且更能作为电子元件变得有趣。”
原文：Holly Evarts