沿着分子链级联的收费：为微小电路提供信息传输的方式

阀门（扫描透射电子显微镜）在栅极可调石墨烯装置上的F4TCNQ分子（黄橙色）一维阵列的图像。

从一维阵列中移除一个带电分子导致其他电荷交替地将“打开”或“关闭”，为微小电路中的信息传输铺平道路。

小型电子电路从我们的手机中的微小相机到我们计算机的微处理器中的小型电子电路。为了使这些设备甚至更小，科学家和工程师正在使用单一分子设计电路组件。小型电路不仅可以提高设备密度，速度和能量效率的益处 - 例如在柔性电子器件或数据存储中 - 但是利用特定分子的物理性质可能导致具有独特功能的装置。然而，从单个分子的开发实用的纳米电子器件需要精确控制这些分子的电子行为，以及通过其制造它们的可靠方法。

现在，正如在自然电子的杂志上所报道的那样，研究人员制定了一种制造一种制造一维的近分子阵列的方法，并精确控制其电子结构。通过小心地调整施加到嵌入一维碳（石墨烯）层的分子链的电压，由劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员领导的团队发现它可以控制是否全部，没有或某些分子携带电荷。然后可以通过在链末端操纵近分子来沿着链移动所得到的电荷图案。

“如果您要将电气设备构建出inpidual分子，您需要具有有用功能的分子，并且需要POUT如何以有用的模式排列。我们在这项工作中做了这项事情，“伯克利实验室材料科学家师资料科学家Michael Crommie说，他们领导了该项目。该研究是美国能源部（DOE）科学资助的职能纳米梭素的职务办公室的一部分，其总体目标是了解分子纳米结构的电气和力学性能，并产生能够的新的分子基纳米载体将能量从一种形式转换为纳米级。

由伯克利实验室团队选择的富含氟分子的关键特征是接受电子的强烈倾向。为了控制沉积在石墨烯底物上的15个这样的分子的精确对准链的电子性质，克拉米，他也是物理学教授的UC伯克利教授，他的同事置于石墨烯下面的金属电极，也通过A分离它薄绝缘层。在分子和电极之间施加电压进入或从分子中施加电子。以这种方式，石墨烯支持的分子表现出稍微类似电容器，电路中使用的电气部件存储和释放电荷。但是，与“正常”宏观电容器不同，通过调节底部电极上的电压，研究人员可以控制哪些分子被充电并且仍然是中性的。

当从图案的末端移除奇数分子时，从带电（蓝点）从带电（蓝点）切换到中性（空点）的一维阵列。这迫使电子进入曾经是第二次分子的东西，导致其他分子切换它们的充电状态，从而使交替的电荷图案转移。

在先前的分子组件的研究中，分子的电子特性在原子长度尺度上不能调谐和成像。在没有额外的成像能力的情况下，在电气设备的背景下，不能完全理解结构和功能之间的关系。通过将分子放入特殊设计的模板上，在伯克利实验室的分子铸造纳米级科学用户设施中，克拉姆和他的同事确保了显微镜观察和电气操纵中的分子可以完全访问。

如预期的那样，将强的正电压施加到支撑分子的石墨烯下面的金属电极用电子填充它们，使整个分子阵列处于带负电状态。去除或逆转该电压导致所有添加的电子离开分子，将整个阵列返回到电荷中性状态。然而，在中间电压下，电子在阵列中仅填充其他每种分子，从而产生“棋盘”的电荷模式。Crommie和他的团队解释了这种新颖的行为，因为电子互相排斥。如果两个带电分子暂时占据相邻部位，那么它们的排斥会将其中一个电子推动并强迫它沉淀到分子排的一个位点。

“我们可以将所有分子制成空的，或全部空无一体或交替。我们称之为集体充电模式，因为它是通过整个结构的电子排斥来决定的，“Crommie说。

计算表明，在具有交替电荷的分子阵列中，阵列中的末端分子应该总是含有一个额外的电子，因为该分子没有第二邻居导致排斥。为了通过实验调查这种类型的行为，伯克利实验室团队将最终分子除以交替电荷的分子阵列。他们发现原始的充电模式已经过一个分子转移：被充电的地点变得中立，反之亦然。研究人员得出结论，在去除带电末端分子之前，与其相邻的分子必须是中性的。在阵容结束时的新位置，前者第二个分子随后被带电。为了保持带电和不带电分子之间的交替模式，整个电荷图案必须由一个分子转移。

如果每个分子的电荷被认为是一点信息，则去除最终分子导致整个信息模式以偏移一个位置。该行为在数字电路中模拟电子移位寄存器，并提供从分子装置的一个区域向另一个区域传输信息的新可能性。在阵列的一端移动分子可以用作在设备中的其他地方的其他地方开启或关闭，为未来的逻辑电路提供有用的功能。

“我们发现真正有趣的一件事是我们能够改变电子电荷，从而改变电子费用，因此分子的性质。这一控制水平是新的东西，“克拉米说。

通过他们的分子阵列，研究人员实现了创建具有非常特定功能的结构的目标;也就是说，通过施加电压，可以在不同的可能状态之间精细调谐其分子电荷的结构。改变分子的电荷导致其电子行为的变化，结果在整个设备的功能中。这项工作出来了DOE努力，以构建具有明确定义的机电功能的精确分子纳米结构。

伯克利实验室团队控制分子电荷图案的技术可能导致纳米级电子元件的新设计，包括晶体管和逻辑门。该技术也可以广泛地推广到其他材料中并掺入更复杂的分子网络中。一种可能性是调整分子以产生更复杂的充电模式。例如，在分子中替换与另一种原子的原子可以改变分子的性质。将这种改变的阵列分子放置在阵列中可能会产生新的功能。基于这些结果，研究人员计划探讨来自分子阵列内的新变化的功能，以及它们如何潜在地用作微小电路元件。最终，他们计划将这些结构纳入更实用的纳米级设备。

参考：“通过Hsin-Zon Tsai，Johannes Lischner，Arasha，Amrani，Andrew S. Aikawa，Christoph Karrasch，Sebastian Wickenburg，Alexander Wickenburg，Alexander Riss，Alexanderian Wickenbur，Alexander Wickenburg，Alexander Wickenburg，Alexander Wickenburg，亚历山大·威肯堡Kyler C. Natividad，Jin Chen，Won-Woo Choi，Kenji Watanabe，Takashi Taniguchi，Chenliang Su，Steven G. Louie，Alex Zettl，Jiong Lu和Michael F. Clommie，9月28日9月28日，Nature Electronics.doi：
10.1038 / s41928-020-00479-4

分子铸造厂是位于伯克利实验室的科学用户设施的DOE办事处。