分子移位寄存器,可由外部電荷控制

近年來，電子工程師們一直在努力製造分子尺度電子器件，這種新型器件使用單分子。然而，為了讓這些器件正常工作，科學家首先需要確定有效的方法來調整分子陣列的電子特性，迄今為止，這已被證明是相當具有挑戰性的。

勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校（UC Berkeley）的研究人員最近提出了一個設計策略，以調整石墨烯場效應電晶體中分子陣列的電荷模式。在《自然電子》雜誌上發表的一篇論文中，他們提出了一個基於這一策略的分子移位寄存器，該寄存器是通過將有機分子定位在石墨烯基器件上而製造的，具有很高的精度。

"我們受到製造功能分子納米結構的可能性的啟發，"研究教授麥可·克羅米告訴TechXplore。"我們的主要目標是製造納米機器，其狀態可以通過外部信號（如施加的柵極電壓）輕鬆控制。構建這種功能性納米結構的一個方法就是利用分子自組裝來創建一系列交替充電/無充電分子，模仿移位寄存器如何存儲和操縱信息的某些方面。

蔡欣宗和他的同事製造的分子移位寄存器是精確定位有機F而建的4石墨烯設備上的TCNQ分子，使用所謂的"邊緣模板"自組裝過程。從本質上講，該器件的工作原理是通過靜電背門對陣列中組織的分子進行充電。在特定的柵極電壓下，這允許在分子之間產生交替電荷模式（即，為陣列中的所有其他分子充電）。

"我們發現，操縱端分子會導致所有分子的電荷狀態翻轉，導致整個陣列的級聯，將整個電荷模式由一個分子移動，"蔡解釋道。"我們的設備獨一無二，因為它由有機分子組成，其特性和功能可以通過現代有機合成的尖端技術進行定製。

研究人員分子移位寄存器的3D圖像。來源：蔡等人。

蔡和他的同事最近的研究表明，如何利用帶電分子成分之間的自組裝過程和庫侖相互作用來創造高效的納米結構。他們組裝的分子陣列的電荷配置可以在不同的電荷狀態之間切換，只需通過背門電極調整石墨烯 Fermi 電平即可。

克羅米說："可以想像，其他基本電子元件，如邏輯門，如何通過自組裝來構建，使用分子電荷狀態作為邏輯位。"一個挑戰是構建和對齊納米級讀數，以訪問分子電荷狀態。儘管在納米尺度上這相當困難，但我們相信，自我組裝將再次被證明是實現這一目標的有用工具。

將來，這個研究小組研究的分子系統可以為基於分子納米結構的其他電子設備的產生提供信息。與此同時，蔡和他的同事們計劃開展進一步的研究，旨在創造更大、更複雜的納米結構，以執行更複雜的任務，如機電納米機器。

"關於納米尺度世界的一個非常有趣的問題是，力和動量如何從由量子力學描述的電子傳遞到更大的物體，如原子或分子，這些物體更經典，"進行該項目的研究人員之一富蘭克林·李歐說。"我們計劃通過電流或靜電門控來操縱石墨烯中的電子，然後用原子尺度顯微鏡測量吸附原子和分子所產生的機械反應。