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纳米颗粒接触为更好的传感器开辟了道路

上周,位于瑞士Rüschlikon的IBM Research-Zurich以及巴塞尔和苏黎世大学的研究人员在Nature上发表的一封信中宣布了一种新方法,用于在硅片上创建与单个分子的电接触。这一进展可以开辟一种有前景的新方法来开发传感器以及可能的其他操纵单分子的电子或光子应用。

在20世纪70年代中期,当研究人员发现具有有趣电子特性的单分子时, 例如二极管,希望很高,这将刺激可能与硅基电子产品竞争的新半导体技术的发展。然而,与这些分子建立电接触基本上仍然是局限于实验室的活动。虽然可以从扫描隧道显微镜(STM)的尖端与这些分子接触,但这些实验需要真空和低温条件。此外,单个电连接仍然难以复制,因为它们在进入分子的电流中变化很大。这些问题是迄今为止没有分子电子设备可用的主要原因。

“我们需要制造或多或少相同,环境稳定的设备,并且可以放置在坚固的平台上,例如数十亿的硅芯片,以与CMOS技术竞争,” EmanuelLörtscher说道。 IBM Research,是Nature论文的合着者。

为了实现这一目标,研究人员首先采用了硅片夹层方法。但那没用。在硅晶片上,他们制造了铂电极,它们覆盖有电介质,一层薄薄的非导电材料。然后,他们使用传统的蚀刻技术在该层中制造纳米孔。它们用烷烃 - 二硫醇分子溶液填充这些孔,并使溶液中的分子在孔中形成自组装单层并形成单层密集排列的平行取向分子。

就像板条箱中的酒瓶底部一样,分子的一端与孔底部的暴露的铂层接触。到目前为止,研究人员已经尝试用另一个薄铂层覆盖这些纳米孔以形成上部接触。但是以这种方式获得的电触点显示出由分子和接触层之间的距离变化引起的接触电阻的宽范围变化。生成的设备无法使用。他们还尝试了石墨烯,同样令人失望的结果,记得Lörtscher。

研究人员终于找到了一种巧妙的解决方案。他们的金点子想是:在用自组装单层(SAM)材料填充孔隙后,它们用金纳米粒子覆盖孔隙中的SAMs。这些纳米粒子足够大,不会落入自组装分子之间,与分子接触而不会破坏它们或改变它们的性质。

“纳米粒子可自动调节分子的大小,” 巴塞尔大学的共同作者Marcel Mayor 说 。 “现在看起来很简单,我们做了很多努力去实现目标。”

研究人员在晶圆上创造了大约3,000个纳米孔,每个纳米孔都有自组装分子。当他们测试分子对施加电压的响应时,他们发现对于相同大小的孔,响应中的扩散非常小。Lörtscher解释说,虽然孔隙中单个分子的接触电阻可能因缺陷而不同,但是由于它们的SAM方法导致了有效的全样本平均。

市长不确定SAM设备是否能够与硅设备竞争数据存储或交换。他说,由于SAM分子的电学特性受到其他分子存在的影响,因此它们可用于传感应用。“有许多结构可以解释这种行为,” 市长说。 例如,SAM分子对pH敏感,并且当暴露于某些蒸汽或溶剂时它们重排其结构或膨胀。“这是工业对这些设备的所有兴趣来自于此; 他们对更精确的分析设备感兴趣,“市长说。 真安宝斯坦福大学的材料科学家对此表示赞同。“可靠地接触单个分子一直是一个重大挑战。令人印象深刻的是,它们具有非常可重复的结果以及电导率与分子长度成比例的精确程度。他们的方法对于未来制造分子记忆和电路非常有希望,“她说。

然而, 韩国Kyungpook国立大学的研究员 Youngkyoo Kim对SAM设备作为传感器表示了一些保留意见: “我觉得现在的纳米颗粒和自组装方法在大规模制造电触点方面听起来不错。在分子设备中,但性能再现性和稳定性可能仍然是一个需要克服的障碍。我n中的本发明的装置结构的情况下,两个金属电极(包括金属纳米颗粒)和SAM层需要很好地封装以稳定运行“。

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