不斷縮小的晶體管是實現(xiàn)更快，更高效的計算機處理的關鍵。自20世紀70年代以來，電子技術(shù)的進步在很大程度上取決于這些微小元件同時變得更小和更強大的穩(wěn)定速度 - 直到納米級的當前尺寸。但近年來，隨著研究人員努力解決晶體管是否最終達到其尺寸限制，這一進展已經(jīng)取得了進展。阻礙進一步小型化的障礙列表中的高位：“泄漏電流”引起的問題。

當兩個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，就會產(chǎn)生泄漏電流，這種現(xiàn)象稱為量子力學隧道效應。隨著間隙持續(xù)減小，這種隧道傳導以指數(shù)級增加的速率增加，使得進一步的小型化極具挑戰(zhàn)性。科學界一致認為，真空屏障是減少隧道效應的最有效手段，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。

哥倫比亞工程學院，哥倫比亞大學化學系，上海師范大學和哥本哈根大學的研究人員在高度跨學科的合作中，顛覆了傳統(tǒng)觀念，合成第一個能夠比納米級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)達到了研究人員為重新設計絕緣體開發(fā)創(chuàng)造性解決方案的關鍵所在。我們的分子策略代表了經(jīng)典設備的新設計原則，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家和共同作者Latha Venkataraman是實驗室的負責人，研究員李海星負責該項目的實驗工作。分子合成在哥倫比亞大學化學系的Colin Nuckolls實驗室與上海師范大學的Shengxiong Xiao合作進行。

該團隊的洞察力是利用電子的波動性質(zhì)。通過設計一個長度小于1納米且表現(xiàn)出全面破壞性干涉特征的極其堅硬的硅基分子，他們設計了一種阻止納米級隧道傳導的新技術(shù)。

“這種基于量子干涉的方法為短絕緣分子設立了一個新標準，”主要作者，哥本哈根大學所羅門實驗室的化學家Marc Garner說道，他負責理論工作。“從理論上講，干擾可以導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電性低于相同尺寸的真空間隙。同時，我們的工作也改進了最近的碳研究基于系統(tǒng)，迄今為止被認為是最好的分子絕緣體。“

當兩個波的峰和谷完全異相放置時，發(fā)生破壞性量子干涉，從而消除振蕩。電子波可以被認為類似于聲波 - 流過障礙物就像聲波通過墻壁“泄漏”一樣。該團隊的合成分子所展示的獨特性能減輕了隧道效應，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。雖然最近對碳納米管的研究在未來十年左右的時間里為工業(yè)應用帶來了希望，但這種絕緣體 - 與當前的行業(yè)標準兼容 - 可以更容易實現(xiàn)。

“祝賀團隊取得這一突破，”分子電子學領域的先驅(qū)馬克拉特納說，西北大學名譽教授沒有參與這項研究。到目前為止，已經(jīng)忽略了使用干涉來制造絕緣體。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。

這一突破源于該團隊在2010年開始的基于硅的分子電子產(chǎn)品的大型項目。該團隊通過抵制這一趨勢來實現(xiàn)他們的最新發(fā)現(xiàn)。該領域的大多數(shù)研究旨在產(chǎn)生高導電分子，因為低電導很少被認為是電子學中理想的特性。然而，由于較小器件中的漏電流引起的固有能量效率低下，絕緣元件實際上可能證明對晶體管的未來優(yōu)化具有更大的價值。

因此，他們的工作已經(jīng)對分子尺度器件中傳導和絕緣的基本潛在機制產(chǎn)生了新的認識。研究人員將在此基礎上進一步闡明硅基分子組分中結(jié)構(gòu) - 功能關系的細節(jié)。

“這項工作對我們來說非常令人滿意，因為在此過程中我們反復發(fā)現(xiàn)了新現(xiàn)象，”Venkataraman說。“我們之前已經(jīng)證明硅分子線可以起到開關的作用，現(xiàn)在我們已經(jīng)證明通過改變它們的結(jié)構(gòu)，我們可以制造絕緣體。在這個領域有很多東西要學習，這將有助于塑造納米級電子學的未來“。