不斷縮小的晶體管是實(shí)現(xiàn)更快，更高效的計(jì)算機(jī)處理的關(guān)鍵。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，電子技術(shù)的進(jìn)步在很大程度上取決于這些微小元件同時(shí)變得更小和更強(qiáng)大的穩(wěn)定速度 - 直到納米級(jí)的當(dāng)前尺寸。但近年來(lái)，隨著研究人員努力解決晶體管是否最終達(dá)到其尺寸限制，這一進(jìn)展已經(jīng)取得了進(jìn)展。阻礙進(jìn)一步小型化的障礙列表中的高位：“泄漏電流”引起的問(wèn)題。

當(dāng)兩個(gè)金屬電極之間的間隙變窄到電子不再被它們的阻擋層包含時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生泄漏電流，這種現(xiàn)象稱為量子力學(xué)隧道效應(yīng)。隨著間隙持續(xù)減小，這種隧道傳導(dǎo)以指數(shù)級(jí)增加的速率增加，使得進(jìn)一步的小型化極具挑戰(zhàn)性?？茖W(xué)界一致認(rèn)為，真空屏障是減少隧道效應(yīng)的最有效手段，使其成為絕緣晶體管的最佳選擇。然而，即使真空屏障也可能由于量子隧穿而允許一些泄漏。

哥倫比亞工程學(xué)院，哥倫比亞大學(xué)化學(xué)系，上海師范大學(xué)和哥本哈根大學(xué)的研究人員在高度跨學(xué)科的合作中，顛覆了傳統(tǒng)觀念，合成第一個(gè)能夠比納米級(jí)絕緣的分子比真空屏障更有效。他們的研究結(jié)果今天在線發(fā)表在自然界。

“我們已經(jīng)達(dá)到了研究人員為重新設(shè)計(jì)絕緣體開(kāi)發(fā)創(chuàng)造性解決方案的關(guān)鍵所在。我們的分子策略代表了經(jīng)典設(shè)備的新設(shè)計(jì)原則，有可能在短期內(nèi)支持持續(xù)的小型化，”哥倫比亞工程物理學(xué)家和共同作者Latha Venkataraman是實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人，研究員李海星負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)工作。分子合成在哥倫比亞大學(xué)化學(xué)系的Colin Nuckolls實(shí)驗(yàn)室與上海師范大學(xué)的Shengxiong Xiao合作進(jìn)行。

該團(tuán)隊(duì)的洞察力是利用電子的波動(dòng)性質(zhì)。通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)長(zhǎng)度小于1納米且表現(xiàn)出全面破壞性干涉特征的極其堅(jiān)硬的硅基分子，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種阻止納米級(jí)隧道傳導(dǎo)的新技術(shù)。

“這種基于量子干涉的方法為短絕緣分子設(shè)立了一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)，”主要作者，哥本哈根大學(xué)所羅門實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家Marc Garner說(shuō)道，他負(fù)責(zé)理論工作。“從理論上講，干擾可以導(dǎo)致完全取消隧道概率，我們已經(jīng)證明，我們分子中的絕緣組件的導(dǎo)電性低于相同尺寸的真空間隙。同時(shí)，我們的工作也改進(jìn)了最近的碳研究基于系統(tǒng)，迄今為止被認(rèn)為是最好的分子絕緣體。“

當(dāng)兩個(gè)波的峰和谷完全異相放置時(shí)，發(fā)生破壞性量子干涉，從而消除振蕩。電子波可以被認(rèn)為類似于聲波 - 流過(guò)障礙物就像聲波通過(guò)墻壁“泄漏”一樣。該團(tuán)隊(duì)的合成分子所展示的獨(dú)特性能減輕了隧道效應(yīng)，在此類比中，不需要更厚的墻壁。

他們基于硅的戰(zhàn)略也提供了一種可能更加工廠化的解決方案。雖然最近對(duì)碳納米管的研究在未來(lái)十年左右的時(shí)間里為工業(yè)應(yīng)用帶來(lái)了希望，但這種絕緣體 - 與當(dāng)前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容 - 可以更容易實(shí)現(xiàn)。

“祝賀團(tuán)隊(duì)取得這一突破，”分子電子學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)馬克拉特納說(shuō)，西北大學(xué)名譽(yù)教授沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。到目前為止，已經(jīng)忽略了使用干涉來(lái)制造絕緣體。本文證明了在基于硅的sigma系統(tǒng)中干擾的能力，這是非常令人印象深刻的。

這一突破源于該團(tuán)隊(duì)在2010年開(kāi)始的基于硅的分子電子產(chǎn)品的大型項(xiàng)目。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)抵制這一趨勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)他們的最新發(fā)現(xiàn)。該領(lǐng)域的大多數(shù)研究旨在產(chǎn)生高導(dǎo)電分子，因?yàn)榈碗妼?dǎo)很少被認(rèn)為是電子學(xué)中理想的特性。然而，由于較小器件中的漏電流引起的固有能量效率低下，絕緣元件實(shí)際上可能證明對(duì)晶體管的未來(lái)優(yōu)化具有更大的價(jià)值。

因此，他們的工作已經(jīng)對(duì)分子尺度器件中傳導(dǎo)和絕緣的基本潛在機(jī)制產(chǎn)生了新的認(rèn)識(shí)。研究人員將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步闡明硅基分子組分中結(jié)構(gòu) - 功能關(guān)系的細(xì)節(jié)。

“這項(xiàng)工作對(duì)我們來(lái)說(shuō)非常令人滿意，因?yàn)樵诖诉^(guò)程中我們反復(fù)發(fā)現(xiàn)了新現(xiàn)象，”Venkataraman說(shuō)。“我們之前已經(jīng)證明硅分子線可以起到開(kāi)關(guān)的作用，現(xiàn)在我們已經(jīng)證明通過(guò)改變它們的結(jié)構(gòu)，我們可以制造絕緣體。在這個(gè)領(lǐng)域有很多東西要學(xué)習(xí)，這將有助于塑造納米級(jí)電子學(xué)的未來(lái)“。