将分子转化为可靠的电子器件

# 将分子转化为可靠的电子设备 来源：https://news.mit.edu/2026/turning-molecules-into-reliable-electronic-devices-0803 分子是可用于制造下一代设备的最小构建模块之一。它们独特且可定制的特性，使其在新兴计算、传感、光学和量子技术中具有广阔的应用前景。 但将分子大规模集成到功能设备中仍然是一项挑战。传统的半导体制造工艺可能会损坏微小而脆弱的分子材料。如今，MIT的研究人员开发出一种可扩展的制造技术，能够在芯片上将这些脆弱的分子材料集成到电子设备中，且不会造成损坏。 他们的方法扩展了标准半导体制造工艺的能力，以适应分子的集成需求。研究人员首先使用传统工艺预制造设备组件。然后，他们引入分子，并利用纳米尺度的表面力，以机械方式转变已制造好的设备，使其在不损伤分子的情况下完成自组装。 该团队通过使用亚纳米分子层制造了超过1000个设备，证明了其技术的鲁棒性和可扩展性。 “我们的平台将传统半导体制造的可扩展性与自组装的精度和控制力结合在一起。这建立了一种新的制造框架，用于将新兴的纳米尺度和量子材料（包括分子）以可扩展、高通量的方式集成到功能设备中，实现此前无法实现的架构和功能。” 电气工程与计算机科学系（EECS）副教授、电子研究实验室（RLE）成员、描述该工作的新论文（https://www.nature.com/articles/s41565-026-02227-9）的资深作者Farnaz Niroui说道。 与她共同撰写论文的还有共同第一作者、EECS研究生Sarah Spector和Peter Satterthwaite；MIT化学系A. Thomas Guertin教授Jeremiah A. Johnson；以及MIT的其他研究人员。该研究今日发表在《自然·纳米技术》上。 **用分子进行构建** 分子是原子的小团簇，其结构和化学性质可以被精确设计。这使其特性能够在宽广的设计空间中进行工程化。 一旦集成到设备架构中，这些分子就可以实现更小、更快、更具适应性的下一代电子和计算平台，以及更高性能的光子器件和新兴量子技术。 要构建一个功能系统，分子构建模块需要与其他设备层集成。在电子系统中，一个关键步骤是通过与金属表面接触来与分子建立电连接。然而，传统芯片制造所需的严苛化学品和工艺会损坏这些脆弱的分子材料，从而降低可靠性和性能。 为了在利用标准制造工艺的可扩展性的同时，实现处理分子所需的精度，MIT研究人员开发了一种解耦的两步方法。 他们首先使用标准半导体制造工艺制造所有设备组件，然后在此之后加入分子材料，以完成设备的构建。 “通过在主设备元件制造完成后再引入脆弱材料，我们能够使用通常与这些纳米材料不兼容的传统工艺，” Satterthwaite说。 在他们的演示中，研究人员制造了一个带有两个金属电极的支架，电极之间间隔有精确尺寸的间隙。然后，他们将分子层沉积在电极表面上。 最后，研究人员利用纳米尺度的力，轻轻地将顶部电极拉到分子上，以非破坏性的方式形成最终设备。这创建了一个自对准、无损伤的分子电接触。 **利用这些力** 虽然重力是维系我们世界的主导物理力，但在纳米尺度上，不同的力占据主导地位。其中一种称为毛细力，它使液体被吸入微小空间。（植物依靠毛细力将水吸入茎中。） 通过精心设计电极的刚度，当含有分子的溶液蒸发时，毛细力会轻轻地将两个金属表面拉在一起，分子则夹在中间。 一旦两个电极就位，研究人员必须使其保持稳定状态。为此，他们依赖另一种纳米尺度力——范德瓦尔斯力。 范德瓦尔斯力使表面相互吸引。通过控制设备表面积和分子性质，研究人员确保这些力足够强大，能够在不对分子造成损伤的情况下，将电极固定在稳定的结构中。 “纳米尺度力在我们的方法中发挥着关键作用。我们并不是直接制造出最终想要的精确结构，而是制造出在机械上可移动的结构，然后利用力将其转变为一种原本无法制造的架构。” Spector解释说。 他们利用这一技术制造了超过1000个具有小于1纳米厚分子层的设备。即使在这个极小的尺度下，所制造的芯片也实现了很高的良率，平均96%的设备正常工作。这些稳健的设备还承受了数万次电循环，没有表现出任何退化迹象。 “其稳定性尤为突出。这是推动分子设备走向实际应用的关键特性，但一直是该领域长期存在的挑战。” Satterthwaite说。 更重要的是，这种多功能技术允许分子设备在电路和系统级别进行集成，使该领域超越了对孤立设备的研究，研究人员表示。他们通过构建一个互连的分子存储器设备阵列证明了这一点，该阵列在下一代计算平台中具有应用潜力。 他们的技术还可以扩展到其他材料和设备架构。 未来，研究人员希望在此基础上进一步研究和开发新型多功能计算、传感设备和系统。 “我们的平台使新兴分子材料和其他原子尺度物质能够以纯净状态大规模集成到功能设备中，从而加速这些材料在定制功能方面的发现和设计，以及它们在新兴技术中的部署。” Niroui补充道。 这项研究部分由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奖学金和荷兰科学研究组织资助。设备制造部分使用了MIT.nano设施。