小型电子电路为我们的日常生活提供动力，从手机中的微型摄像头到计算机中的微处理器。为了使这些设备更小，科学家和工程师正在用单分子设计电路组件。小型化电路不仅可以提供增加设备密度、速度和能源效率的好处——例如在柔性电子设备或数据存储中——而且利用特定分子的物理特性可以导致设备具有独特的功能。然而，从单分子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，以及制造它们的可靠方法。

现在，正如《自然电子》杂志报道的那样，研究人员已经开发出一种方法来制造单个分子的一维阵列并精确控制其电子结构。通过仔细调整应用于嵌入一维碳(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他们可以控制全部、无或部分分子带有电荷。然后可以通过操纵链末端的单个分子来沿着链移动所产生的电荷模式。

“如果你打算用单个分子构建电子设备，你需要具有有用功能的分子，你需要弄清楚如何以有用的模式排列它们。我们在这项工作中做了这两件事，”迈克尔说Crommie 是伯克利实验室材料科学部的高级教师科学家，他领导了该项目。该研究是美国能源部 (DOE) 科学资助的功能纳米机器表征计划的一部分，该计划的总体目标是了解分子纳米结构的电气和机械特性，并创建新的基于分子的纳米机器，能够在纳米尺度上将能量从一种形式转换为另一种形式。

伯克利实验室团队选择的富氟分子的关键特征是它接受电子的强烈倾向。为了控制沉积在石墨烯基底上的 15 个这样的分子的精确排列链的电子特性，同时也是加州大学伯克利分校物理学教授的克罗米和他的同事在石墨烯下方放置了一个金属电极，该电极也通过薄的绝缘层。在分子和电极之间施加电压驱动电子进入或离开分子。通过这种方式，石墨烯支持的分子表现得有点像电容器，电路中用于存储和释放电荷的电子元件。但是，与“正常”宏观电容器不同，

在之前的分子组装研究中，分子的电子特性无法在原子长度尺度上进行调整和成像。如果没有额外的成像能力，就无法在电气设备的上下文中完全理解结构和功能之间的关系。通过将分子放置在伯克利实验室分子铸造纳米级科学用户设施开发的石墨烯基板上的专门设计的模板中，克罗米和他的同事确保分子完全可用于显微镜观察和电操作。

正如预期的那样，向支撑分子的石墨烯下方的金属电极施加强正电压，使它们充满电子，使整个分子阵列处于带负电的状态。消除或反转该电压会导致所有添加的电子离开分子，使整个阵列返回到电荷中性状态。然而，在中间电压下，电子仅填充阵列中的每个其他分子，从而形成“棋盘”电荷模式。Crommie 和他的团队通过电子相互排斥这一事实来解释这种新颖的行为。如果两个带电分子暂时占据相邻的位置，那么它们的排斥力会将其中一个电子推开，并迫使它在分子行更下方的一个位置上定居。

“我们可以让所有分子都没有电荷，或者全部充满，或者交替。我们称之为集体电荷模式，因为它是由整个结构的电子 - 电子排斥决定的，”克罗米说。

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始终包含一个额外的电子，因为该分子没有第二个邻居来引起排斥。为了通过实验研究这种行为，伯克利实验室团队移除了一系列具有交替电荷的分子中的最后一个分子。他们发现原来的电荷模式已经转移了一个分子：带电的位置变成中性，反之亦然。研究人员得出结论，在带电末端分子被移除之前，与其相邻的分子一定是中性的。在阵列末端的新位置，原来的第二个分子带电。为了保持带电和不带电分子之间的交替模式，

如果将每个分子的电荷视为一点信息，那么去除最后一个分子会导致整个信息模式移动一个位置。这种行为模仿了数字电路中的电子移位寄存器，并为将信息从分子器件的一个区域传输到另一个区域提供了新的可能性。移动阵列一端的分子可以作为打开或关闭设备其他地方的开关，为未来的逻辑电路提供有用的功能。

“我们发现这个结果非常有趣的一件事是，我们能够改变电子电荷，从而从很远的地方改变分子的特性。这种控制水平是新的，”克罗米说。

研究人员通过他们的分子阵列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可能状态之间微调分子电荷的结构。改变分子的电荷会导致它们的电子行为发生变化，从而导致整个设备的功能发生变化。这项工作源于美国能源部努力构建具有明确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模式的技术可能会导致纳米级电子元件的新设计，包括晶体管和逻辑门。该技术也可以推广到其他材料，并纳入更复杂的分子网络。一种可能性是调整分子以创建更复杂的电荷模式。例如，将分子中的一个原子替换为另一个原子可以改变分子的性质。将这种改变的分子放入阵列中可以创造新的功能。基于这些结果，研究人员计划探索由分子阵列内的新变化产生的功能，以及它们如何潜在地用作微型电路组件。最终，他们计划将这些结构整合到更实用的纳米级设备中。

标签： 分子链级联