新型分子電子技術(shù)有望將芯片密度提升千倍

利用原子級精度制造的分子電子器件可能突破當(dāng)前芯片密度極限，將元件集成度提高至1000倍。

數(shù)十年來，晶體管微縮化一直是計算性能提升的核心驅(qū)動力，但這一途徑正面臨物理與經(jīng)濟(jì)的雙重極限。當(dāng)前尖端芯片如蘋果基于臺積電3納米工藝打造的A17 Pro和M4處理器，其晶體管柵極長度已低于15納米。在這種尺度下，電子開始穿透本應(yīng)隔絕它們的勢壘，導(dǎo)致設(shè)備關(guān)閉時仍出現(xiàn)漏電流。由此產(chǎn)生的能量浪費(fèi)、過熱問題，以及伴隨晶體管代際微縮而來的能效提升收益遞減，正成為嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

與此同時，建造一座3納米晶圓廠的成本已超過200億美元。這些困境促使學(xué)界重新關(guān)注一種顛覆性方案：以單個分子作為功能電子元件。

單分子器件或可超越硅芯片

電子天然更易單向流動的特性，使得單個分子能像微型二極管一樣工作。盡管這一構(gòu)想曾催生整個研究領(lǐng)域，但長期以來受限于對納米級物體的控制和測量難題。歷經(jīng)數(shù)十年技術(shù)創(chuàng)新，可靠的測試才成為可能。

《微系統(tǒng)與納米工程》近期綜述總結(jié)了該領(lǐng)域進(jìn)展，涵蓋制造技術(shù)、功能器件與集成策略，表明分子電子學(xué)已從理論發(fā)展為重要的候選技術(shù)。據(jù)報道，其潛在器件密度可達(dá)每平方厘米101?個，較當(dāng)前硅芯片提升約1000倍。

分子電子學(xué)的工作原理與傳統(tǒng)芯片截然不同。電荷并非通過連續(xù)材料傳輸，而是經(jīng)由量子隧穿穿越分子結(jié)。電導(dǎo)隨分子長度增加呈指數(shù)衰減，意味著更長的分子載流能力更弱。

量子干涉效應(yīng)提供了額外控制維度。在苯基分子中，電子可經(jīng)多路徑傳輸產(chǎn)生增強(qiáng)或抵消效應(yīng)。當(dāng)連接點(diǎn)位于苯環(huán)對位時，干涉效應(yīng)會增強(qiáng)電導(dǎo)；而在間位構(gòu)型中，干涉效應(yīng)會使電導(dǎo)驟降數(shù)個量級。這些特性創(chuàng)造了普通半導(dǎo)體無法實(shí)現(xiàn)的功能。

構(gòu)建納米級可靠分子結(jié)

制造分子結(jié)需要電極間距小于3納米。靜態(tài)結(jié)采用固定間隙，可通過電遷移或液態(tài)金屬接觸自組裝分子層等方法實(shí)現(xiàn)，碳電極則能改善連接性。

動態(tài)結(jié)通過反復(fù)形成/斷開接觸來采集數(shù)據(jù)，包括機(jī)械可控斷裂結(jié)、掃描隧道顯微鏡斷裂結(jié)以及自動化測量的微機(jī)電系統(tǒng)等技術(shù)。數(shù)千次循環(huán)生成的特征電導(dǎo)直方圖可揭示單個分子的獨(dú)特電導(dǎo)特性。

因此，科學(xué)家們正在探索構(gòu)建三維分子電子器件的方法。被稱為"硅通孔"的垂直通道可連接堆疊的分子層，水平布線則可使用銅或釕等金屬。

熱管理仍是重大挑戰(zhàn)：有機(jī)分子在200℃以上就會分解，而標(biāo)準(zhǔn)芯片工藝溫度超過400℃。研究人員建議僅在制造最終階段引入分子。利用DNA折紙術(shù)可實(shí)現(xiàn)精確定位——通過折疊DNA形成納米結(jié)構(gòu)來引導(dǎo)分子排布。早期應(yīng)用已展現(xiàn)潛力：分子憶阻器可助力類腦計算，分子傳感器能追蹤單次化學(xué)反應(yīng)，揭示傳統(tǒng)技術(shù)無法觀測的細(xì)節(jié)。

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