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縱觀過去的半個(gè)多世紀(jì)，信息工業(yè)的快速發(fā)展依賴于硅基電子器件的不斷微型集成。當(dāng)7nm和5nm節(jié)點(diǎn)的芯片已經(jīng)商用，3nm甚至1nm制程已經(jīng)接近極限的情況下，摩爾定律似乎已經(jīng)開始走向終點(diǎn)。因此，發(fā)展新機(jī)制、新材料和新器件已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)的下一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。其中，利用單個(gè)分子構(gòu)建電子電路元器件得到了廣泛的關(guān)注，是電子器件微小化發(fā)展的終極目標(biāo)。首先，單分子器件可以使得器件的導(dǎo)電溝道真正達(dá)到1nm左右水平，有望實(shí)現(xiàn)器件集成度的最大化。其次，引入功能性單分子去構(gòu)建多功能的單分子器件也是未來半導(dǎo)體行業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。在單分子器件的平臺(tái)上引入柵極實(shí)現(xiàn)單分子場(chǎng)效應(yīng)晶體管，關(guān)鍵的巨大挑戰(zhàn)是如何克服長(zhǎng)期存在的短溝道效應(yīng)，如何在單分子水平上實(shí)現(xiàn)柵極對(duì)分子軌道能級(jí)的有效調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)高的開關(guān)比。近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院郭雪峰課題組聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院物理研究所孟勝課題組、加拿大麥吉爾大學(xué)郭鴻課題組和法國(guó)雷恩大學(xué)Stéphane Rigaut課題組，首次在石墨烯基單分子器件的基礎(chǔ)上構(gòu)建了超薄高k的介電層，實(shí)現(xiàn)了柵壓對(duì)單分子器件電導(dǎo)的有效調(diào)控，成功研制了CMOS兼容的高性能單分子場(chǎng)效應(yīng)晶體管（圖1）。

圖1. 單分子場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖

在前期工作中，郭雪峰課題組已經(jīng)在單分子器件平臺(tái)的基礎(chǔ)上引入新型離子液體柵，研究了單分子對(duì)柵壓的響應(yīng)規(guī)律,構(gòu)建了具有多種功能的單分子器件（Angew. Chem. Int. Ed.?2018,?57,?14026; J. Am. Chem. Soc.?2021,?143, 20811; Sci. Adv.?2022, in press）。此次他們開發(fā)了新的技術(shù)平臺(tái)，在石墨烯基單分子器件的基礎(chǔ)上首次引入了CMOS兼容的固態(tài)柵，結(jié)構(gòu)上更接近傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。如圖1所示，他們先沉積金屬鋁作為固態(tài)柵的柵極材料。金屬鋁表面自然氧化的氧化鋁以及用溶膠凝膠法制備的氧化鉿共同組成了超薄的介電層，總厚度約為10nm，一定程度上克服了短溝道效應(yīng)。同時(shí)，氧化鋁與氧化鉿的組成避免了后續(xù)的工藝對(duì)介電層的破壞，抑制了柵極的漏電現(xiàn)象，在單分子水平上提高了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能。

6年前，他們利用二芳烯分子實(shí)現(xiàn)了在單分子器件平臺(tái)上監(jiān)測(cè)光致異構(gòu)引起的開關(guān)效應(yīng)（Science?2016,?352, 1443）。在持續(xù)的可見光和紫外光的交替照射下，分子呈現(xiàn)了高低電導(dǎo)的交替變換。電導(dǎo)的變化反映出分子在不同波長(zhǎng)的光照條件下發(fā)生了結(jié)構(gòu)的變化。在此次研究中，他們與合作者設(shè)計(jì)合成了具備二芳烯光致異構(gòu)官能團(tuán)的釕配位化合物（Ru-DAE），其中二芳烯單元在不同波長(zhǎng)的光照條件下也可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)與關(guān)環(huán)的轉(zhuǎn)換。他們將此分子引入固態(tài)柵的單分子器件，不僅重現(xiàn)了可逆的開關(guān)環(huán)反應(yīng)，驗(yàn)證了單分子開關(guān)效應(yīng)的可靠性，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，二芳烯開關(guān)環(huán)的兩種狀態(tài)在柵極電壓下的電學(xué)性質(zhì)存在明顯差異。因此，引入二芳烯官能團(tuán)，可以揭示柵壓對(duì)同一分子的不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性的調(diào)控能力和機(jī)制，同時(shí)在同一器件上實(shí)現(xiàn)了光調(diào)控與柵調(diào)控兩種手段。

如圖2所示，二芳烯在開環(huán)狀態(tài)下（Ru-oDAE），分子處于弱共軛狀態(tài)。零柵壓下，導(dǎo)電性能差，實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)態(tài)電流的有效控制。由于HOMO的位置靠近石墨烯費(fèi)米能級(jí)，在小的柵壓下，分子的HOMO軌道進(jìn)入導(dǎo)電窗口，分子的電導(dǎo)迅速增加。與零柵壓時(shí)的電導(dǎo)相比，開關(guān)比可高達(dá)104。 而在關(guān)環(huán)狀態(tài)下，分子處于高共軛狀態(tài)。零柵壓時(shí)分子的電導(dǎo)就已經(jīng)比較高，所以柵壓下分子電導(dǎo)的變化與開環(huán)狀態(tài)相比偏小，導(dǎo)致開關(guān)比下降。該工作首次在石墨烯基單分子平臺(tái)引入了超薄高k的固態(tài)柵，并且通過具有光響應(yīng)的二芳烯官能團(tuán)，研究了在同一器件上柵壓對(duì)不同分子結(jié)構(gòu)的調(diào)控能力，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)功能化的分子器件提供了嶄新的思路和理論指導(dǎo)。

圖 2. a.二芳烯分子開環(huán)(RU-oDAE)與關(guān)環(huán)（RU-cDAE）狀態(tài)下的透射譜; b. 不同柵壓下開環(huán)分子的ID-VD 特性曲線; c. 柵壓下分子軌道能級(jí)的變化。

該研究成果以“Dual-Gated Single-Molecule Field-Effect Transistors beyond Moore’s Law”為題于3月17號(hào)發(fā)表在Nature Communications上。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院郭雪峰教授、中國(guó)科學(xué)院物理研究所的孟勝研究員、加拿大麥吉爾大學(xué)郭鴻教授和雷恩大學(xué)Stéphane Rigaut教授為該工作的共同通訊作者，文章的共同第一作者分別是在北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院合作培養(yǎng)的中科院物理所博士生孟利楠、郭雪峰課題組博士生辛娜、在北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院合作培養(yǎng)的南開大學(xué)博士生張苗、郭鴻課題組博士生胡晨和Stéphane Rigaut課題組博士生Hassan Al Sabea。該工作得到了來自科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市科委和北京大學(xué)等基金的支持。

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原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28999-x

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