分子电子学

分子电子学是用于制造电子元件的分子结构单元的研究和应用。 它是一个跨越物理、化学和材料科学的跨学科领域。 统一的特征是使用分子构建块来制造电子元件。 由于分子水平的性能控制提供了电子尺寸减小的前景，分子电子学引起了极大的兴奋。 它提供了一种将摩尔定律扩展到超越小型传统硅集成电路可预见限制的潜在方法。

分子级电子学，也称为单分子电子学，是纳米技术的一个分支，它使用单个分子或单个分子的纳米级集合作为电子元件。 由于单个分子构成了可能的最小稳定结构，因此这种小型化是缩小电路的最终目标。

传统的电子设备传统上由散装材料制成。 批量方法具有固有的局限性，并且要求越来越高且成本越来越高。 因此，想法诞生了，即可以在化学实验室中（自下而上）逐个原子地构建组件，而不是从大块材料中雕刻出来（自上而下）。 在单分子电子学中，大块材料被单分子取代。 也就是说，不是通过在模式支架之后移除或应用材料来创建结构，而是将原子放在化学实验室中。 使用的分子具有类似于电线、晶体管或整流器等传统电子元件的特性。 这种使用分子作为传统电子元件的概念最早由 Aviram 和 Ratner 于 1974 年提出，当时他们提出了一种理论上由相互绝缘的供体和受体位点组成的分子整流器。

单分子电子学是一个新兴领域，完全由分子大小的化合物组成的整个电子电路距离实现还有很长的路要走。 然而，对更多计算能力的持续需求，以及当今光刻方法的固有局限性，使得这种转变似乎不可避免。 目前，重点是发现具有有趣特性的分子，以及寻找在分子成分和电极主体材料之间获得可靠和可重复接触的方法。

分子电子学在距离小于 100 纳米的量子领域运行。 小型化到单个分子将规模缩小到量子力学效应很重要的状态。 与传统电子元件的情况不同，在传统电子元件中，电子可以或多或少地像电荷的连续流动一样被填充或抽出，而单个电子的转移会显着改变系统。 在计算装置的电子特性时，必须考虑充电产生的大量能量，并且对附近导电表面的距离高度敏感。

测量单个分子的xxx问题之一是仅与一个分子建立可重复的电接触，并且在不使电极短路的情况下这样做。 由于目前的光刻技术无法产生足够小的电极间隙以接触被测分子的两端（纳米量级），因此采用了替代策略。

这些包括称为断裂连接的分子大小的间隙，其中薄电极被拉伸直至断裂。 克服间隙大小问题的方法之一是捕获分子功能化纳米粒子（纳米粒子间距与分子大小相匹配），然后通过位置交换反应捕获目标分子。 另一种方法是使用扫描隧道显微镜 (STM) 的尖端接触粘附在金属基板另一端的分子。 另一种将分子锚定到电极上的流行方法是利用硫对金的高化学亲和力； 虽然有用，但锚定是非特异性的，因此将分子随机锚定到所有金表面，并且接触电阻高度依赖于锚定位点周围的精确原子几何形状，从而固有地损害连接的可重复性。 为了避免后一个问题，实验表明，富勒烯可能是替代硫的良好候选者，因为大型共轭 π 系统与单个硫原子相比，可以一次电接触更多的原子。 从金属电极到半导体电极的转变允许更定制的特性，从而用于更有趣的应用。