分子是构建下一代器件最小的基础单元之一其独特且可定制的性质在新兴计算、传感、光学和量子技术领域具有广阔的应用前景。然而将分子大规模集成到功能器件中仍面临重大挑战——传统半导体制造工艺往往会损坏娇小脆弱的分子材料。近日麻省理工学院MIT研究人员开发出一种可扩展的制造技术能够在不造成损伤的前提下将精密分子材料集成到芯片上的电子器件中。该方法在标准半导体制造工艺的基础上进行了扩展延伸以适应分子材料的特殊需求。研究人员首先采用传统工艺预制好器件各组成部分随后引入分子材料并利用纳米尺度的表面力对已制备的器件进行机械形变使其在不损伤分子的前提下完成自组装。研究团队通过制造逾1000个采用亚纳米分子层的器件充分验证了这一技术的稳健性与可扩展性。我们的平台将传统半导体制造的可扩展性与自组装的精确可控性融为一体为新兴纳米及量子材料包括分子在功能器件中的规模化、高通量集成建立了全新的制造框架可实现此前难以企及的架构与性能。论文通讯作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学系副教授、电子学研究实验室成员法尔纳兹·尼鲁伊表示。论文共同第一作者为电气工程与计算机科学系博士生萨拉·斯佩克特和彼得·萨特思韦特共同作者还包括麻省理工学院化学系A. Thomas Guertin讲席教授杰里迈亚·A·约翰逊等。相关研究成果已发表于《自然·纳米技术》期刊。用分子构建器件分子是由原子紧密结合而成的微小簇团其结构与化学性质可被精确设计从而在宽广的设计空间内对其性能进行定制化工程调控。一旦将分子集成到器件架构中便有望催生更小、更快、更具适应性的下一代电子与计算平台同时推动高性能光子器件和新兴量子技术的发展。要构建完整的功能系统分子基本单元需要与其他器件层相互集成。在电子系统中一个关键步骤是通过分子与金属表面的界面接触为分子建立电学连接。然而传统芯片制造所需的强腐蚀性化学品和工艺会损坏这些脆弱的分子材料导致器件可靠性和性能下降。为了兼顾标准制造工艺的可扩展性与分子处理所需的精密度MIT研究团队开发了一种解耦式两步法。第一步利用标准半导体制造工艺完成所有器件组件的制备第二步事后再引入分子材料完成器件的最终构建。通过在主要器件单元制备完成后才引入精密材料我们就能使用通常与这些纳米材料不兼容的传统工艺。萨特思韦特说。在实验演示中研究人员先制备了一个由两个金属电极组成、中间留有精确间隙的支架结构再在电极表面沉积分子层。最后研究人员利用纳米尺度的力将顶部电极轻柔地拉向分子以无损方式完成最终器件的组装形成自对准、无损伤的分子电学接触。借力纳米尺度的物理作用在宏观世界中重力主导着物体的运动而在纳米尺度下主导的物理力则截然不同。其中一种称为毛细力能够将液体吸入细小空间——植物正是依靠毛细力将水分输送到茎部。通过精心设计电极的刚度当含有分子的溶液蒸发时毛细力会将两个金属表面轻柔地拉合在一起分子则被夹在中间。两个电极就位后研究人员还需将其维持在稳定状态。为此他们借助另一种纳米尺度的力——范德华力。范德华力能使两个表面相互吸引。通过控制器件的表面积和分子性质研究人员确保该力足够强能够在不损伤分子的情况下将电极保持在稳定结构中。纳米尺度的力在我们的方法中发挥了关键作用。我们并非直接制造最终想要的结构而是先制造具有机械活动性的结构再利用力将其转变为用其他方法无法制造的架构。斯佩克特解释道。利用这一技术研究团队制造了逾1000个分子层厚度不足1纳米的器件平均良率高达96%。这些器件还经受住了数万次电学循环测试未见任何退化迹象。稳定性尤为突出。这是推动分子器件走向实际应用的关键特性但长期以来一直是该领域的一大难题。萨特思韦特说。研究人员表示这一通用技术还支持分子器件在电路和系统层面的集成将该领域的研究推进到孤立器件研究之外。他们通过构建一个相互连接的分子存储器件阵列对此进行了验证该阵列有望在下一代计算平台中得到应用。该技术还可延伸应用于其他材料和器件架构。未来研究人员希望在此平台基础上进一步探索和开发新型多功能计算与传感器件及系统。通过实现新兴分子材料及其他原子尺度物质在功能器件中的高质量规模化集成我们的平台加速了对这些具有定制功能材料的发现与设计并推动其在新兴技术中的部署应用。尼鲁伊补充道。本研究部分获得美国国防高级研究计划局DARPA、半导体研究公司、美国国家科学基金会NSF、MathWorks奖学金及荷兰科学研究组织的资助器件制造工作部分在MIT.nano设施中完成。QAQ1MIT开发的分子器件制造技术是如何实现无损集成的A该技术采用两步解耦法先用传统半导体工艺预制器件组件再事后引入分子材料。关键在于利用纳米尺度的毛细力和范德华力使电极在溶液蒸发时自动合拢并夹住分子层整个过程无需化学腐蚀或高温处理从而避免对脆弱分子材料造成损伤实现自对准、无损伤的电学接触。Q2这项分子器件制造技术的良率和稳定性表现如何A研究团队利用该技术成功制造了逾1000个器件分子层厚度不足1纳米平均良率高达96%。在稳定性方面这些器件经历了数万次电学循环测试未出现任何性能退化充分证明该技术具备支撑实际应用的可靠性解决了分子器件领域长期面临的稳定性难题。Q3分子器件未来可以应用在哪些领域A分子器件因其结构和化学性质可精确设计有望在多个前沿领域发挥重要作用包括更小、更快、更灵活的下一代电子与计算平台、高性能光子器件以及新兴量子技术。研究人员已演示了互联分子存储器件阵列未来还计划开发多功能计算与传感器件及系统。