量子隧穿是先進集成電路性能提升和進一步小型化的最大障礙，常規(guī)策略是使用復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)來緩解各種量子效應(yīng)，該策略在現(xiàn)技術(shù)節(jié)點已遇到瓶頸。理論研究預(yù)測了一種截然相反的策略：將不可避免的量子效應(yīng)加以利用，來提高器件性能和降低能耗。然而，該全新策略需要使用兩條量子相干的導(dǎo)電通道產(chǎn)生的相消量子干涉來完全抑制隧穿電流，而這在體相塊材半導(dǎo)體材料中是無法實現(xiàn)的，因為散射效應(yīng)和缺陷會導(dǎo)致電子失去相干性。對此，牛津大學(xué)Zhixin Chen、Harry Anderson，蘭卡斯特大學(xué)Colin Lambert，倫敦大學(xué)皇后瑪麗學(xué)院James Thomas等使用單分子結(jié)合石墨烯電極構(gòu)筑了類CMOS結(jié)構(gòu)的單分子場效應(yīng)晶體管，成功在其中構(gòu)筑了兩條具有量子干涉的導(dǎo)電通道，實現(xiàn)性能的大幅提升，證明了量子效應(yīng)實際上可以是集成電路進一步小型化的幫手，而不是障礙。
研究亮點
1、證明了量子干涉效應(yīng)可用于增強納米尺度晶體管的性能2、實現(xiàn)了像CMOS一樣高效工作的單分子場效應(yīng)晶體管。3、實現(xiàn)了單分子器件中量子干涉的完整測繪。隧穿場效應(yīng)晶體管（TFETs）和單分子晶體管（SMTs）是一類特殊的納米尺寸量子電子器件，在常規(guī)先進集成電路中被認為有害的量子隧穿效應(yīng)，反而是這類納米器件中最重要電子輸運形式。量子干涉（QI）是在納米尺度電輸運中發(fā)現(xiàn)的量子效應(yīng)。由于微觀電子具有波粒二象性，波動性意味著電子可以像光波一樣發(fā)生干涉，即量子干涉。由于QI可以從根源完全抑制量子隧穿，因而理論上可以用于增強晶體管的性能。然而，在常規(guī)的塊材體相半導(dǎo)體晶體管中，要構(gòu)筑兩個能產(chǎn)生QI的導(dǎo)電通道是極其困難的，因為其中的散射效應(yīng)和缺陷位會導(dǎo)致電子快速地失去相干性。理論研究預(yù)測了一種全新的途徑：在單分子中引入不同分子軌道間的量子干涉，以此來構(gòu)筑單分子晶體管。為了驗證這個假設(shè)需要針對QI對單分子晶體管性能的影響進行全面的實驗研究。 先前研究表明，相消量子干涉（DQI）可以被電化學(xué)門控控制，從而實現(xiàn)超過100倍的開關(guān)比，以及數(shù)次的開關(guān)循環(huán)。然而，電化學(xué)門控技術(shù)具有響應(yīng)較慢的問題，且高度依賴電解質(zhì)溶液環(huán)境，與現(xiàn)有集成電路工作環(huán)境并不兼容。本論文作者科研團隊早先發(fā)明了使用石墨烯作為源漏極構(gòu)筑單分子晶體管的技術(shù)，使得引入與現(xiàn)有CMOS晶體管集成電路高度兼容的靜電門控成為可能，并且可以在單分子器件中對QI進行測量。另外， 石墨烯態(tài)密度與分子軌道耦合后產(chǎn)生的新量子效應(yīng)可用于進一步增強器件性能。為探索在納米電子器件中使用QI的可能，研究團隊使用具有窄HOMO-LUMO能隙（對應(yīng)體相半導(dǎo)體的窄帶隙）的鋅卟啉分子核心，在相對的(5,15)meso位分別連接4-乙炔基苯胺基態(tài)，來與石墨烯邊緣的羧基通過酰胺縮合反應(yīng)形成共價鍵聯(lián)，如圖1左所示。該分子長度在2.5nm左右。該電極-分子-電極形成的三明治結(jié)構(gòu)一般稱為“分子結(jié)”。在該研究中分子結(jié)被集成到具有源（Source）、漏（Drain）、柵（Gate）三電極的場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)中，如圖1右所示。圖1. 石墨烯基單分子量子干涉晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。原子級精確的分子結(jié)構(gòu)允許研究者使用密度泛函理論（DFT）結(jié)合量子輸運理論來預(yù)測器件的性質(zhì)。理論計算的結(jié)果表明分子-石墨烯界面處出現(xiàn)局部態(tài)密度零點（圖2左），意味著相消量子干涉（DQI）的存在。進一步計算電子透射概率與能量的關(guān)系（透射函數(shù)譜圖，圖2中）可見在+0.25eV左右有一尖銳的反共振信號，是DQI的典型特征。該理論結(jié)果預(yù)測了該單分子晶體管中DQI的存在，因而作者進一步進行了實驗測試。因為器件的電導(dǎo)與對應(yīng)能量下的透射概率成正比，而柵壓則可以控制器件的能級，因而電導(dǎo)-柵壓曲線一般與透射譜圖費米能級附近的區(qū)域會有一定的對應(yīng)關(guān)系，測試電導(dǎo)與柵壓的關(guān)系可以直觀的展示量子干涉現(xiàn)象。圖2右展示了實驗測得的電導(dǎo)-柵壓曲線，其展現(xiàn)了一個與理論計算相符的反共振信號，證實了DQI的存在。 圖2. 左：分子-電極界面產(chǎn)生局部態(tài)密度零點（紅圈）；中：理論計算的透射函數(shù)譜圖；右：實驗測得的零偏壓（Vsd=0）下的電導(dǎo)(G)-柵壓(Vg)關(guān)系曲線（在80K溫度下測得），圖中N表示分子的中性態(tài)具有N個電子，N-1和N+1分別表示分子的單電子氧化和單電子還原態(tài)。作者進一步在不同溫度下對DQI的信號進行了二維完整測繪（圖3），其中在10K的溫度下觀測到了與光的干涉類似的明暗相間的電子干涉條紋，進一步證明了電子波動性輸運（一般稱為“相干輸運”）的特征（單分子器件中電子的干涉條紋相關(guān)文章參見：Phase-Coherent Charge Transport through a Porphyrin Nanoribbon. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 28, 15265–15274）。圖3. 使用電導(dǎo)(G)-柵壓(Vg)-偏壓(Vsd)二維關(guān)系圖對量子干涉進行完整測繪。（圖4左）展示了在+20mV的源漏極偏壓下該晶體管的電流-柵壓關(guān)系曲線。電導(dǎo)-柵壓曲線中的反共振信號附近器件導(dǎo)電性被DQI顯著抑制，對應(yīng)電流的最小值，可被用作晶體管的關(guān)閉態(tài)（OFF）；而分子單電子氧化和中性態(tài)間切換（N-1/N）的輸運（即通過分子HOMO的共振隧穿）可被用作晶體管的開啟態(tài)（ON），如圖4右所示，由此獲得了晶體管的開關(guān)態(tài)。 圖4. 左：Vsd=+20mV下電流(I)-柵壓(Vg)關(guān)系曲線；右：量子干涉晶體管開關(guān)原理圖。（圖5左）展示了該單分子晶體管的二維電流-柵壓-偏壓關(guān)系圖。作者基于此關(guān)系圖，使用CMOS晶體管的表征方式，分別測量了該單分子晶體管的輸出特性曲線（圖5中）和轉(zhuǎn)移特性曲線（圖5右）。圖5. 左：二維電流(I)-柵壓(Vg)-偏壓(Vsd)關(guān)系圖，綠點和紅點分別與圖4左的ON、OFF標記位置對應(yīng)；中：輸出特性曲線；右: 轉(zhuǎn)移特性曲線。作者進一步測試了該單分子晶體管在不同溫度下的性能表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在測試溫度區(qū)間內(nèi)晶體管的亞閾值擺幅（subthreshold swing，Ss-th）均達到了熱電子極限（thermionic limit，CMOS晶體管的理論極限，通過公式Ss-th=(KT/q)ln10算得，300K下約為60mV/dec），開關(guān)比可達 10,000數(shù)量級 ，開關(guān)頻率>7 kHz（注：作者強調(diào)該頻率受限于所用電流放大器帶寬，實際可達到的頻率應(yīng)遠高于此值），以及>100,000 次開關(guān)循環(huán)性能穩(wěn)定無任何衰減。圖5. 左：二開關(guān)比與溫度的關(guān)系；中：亞閾值擺幅（Ss-th）與溫度的關(guān)系；右: 量子干涉提高亞閾值擺幅性能的原理。 該研究證明了量子干涉效應(yīng)可以顯著增強單分子晶體管的性能，為未來集成電路晶體管的設(shè)計和發(fā)展提供了一個全新的策略，即將無法避免的量子效應(yīng)加以利用，用于增強器件性能。如果善加利用，量子效應(yīng)實際上可以是集成電路進一步小型化的幫手，而不是障礙。另外，該工作證明了單分子晶體管可以像真實CMOS晶體管一樣高效工作，證實了納米科學(xué)細分研究領(lǐng)域——分子電子學(xué)創(chuàng)立的初衷：使用分子構(gòu)筑基本電子元件以構(gòu)筑集成電路是可行的。Chen, Z.; Grace, I. M.; S. L. Woltering et. al. Quantum Interference Enhances the Performance of Single-Molecule Transistors. Nat. Nanotechnol. (2024) DOI: 10.1038/s41565-024-01633-1https://www.nature.com/articles/s41565-024-01633-1https://www.nature.com/articles/s41565-024-01634-0
