本期為大家介紹的是南京大學(xué)、廈門大學(xué)、中國人民大學(xué)、耶魯大學(xué)、倫斯勒理工學(xué)院五校聯(lián)合課題組制備得到的單原子存儲器，課題組最初以單自旋存儲為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，然而未能觀察到磁性存儲的跡象，卻意外的看到了單分子駐極體操控，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)類鐵電存儲器。

研究背景

摩爾定律指出：每18個(gè)月，集成電路上的晶體管密度可翻一倍。這幾十年來，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展一直沿這一定律前行，這也使得最新電子設(shè)備要比之前的體積更小，性能更強(qiáng)。

當(dāng)前微電子工藝特征尺度已經(jīng)走入5nm，不久的將來必然進(jìn)入原子尺度。在這一背景下，以單個(gè)原子為信息單元的存儲、邏輯器件的設(shè)計(jì)就成為未來原子集成電路的關(guān)鍵研發(fā)內(nèi)容。來自南京大學(xué)、廈門大學(xué)、中國人民大學(xué)、耶魯大學(xué)、倫斯勒理工學(xué)院的五校聯(lián)合團(tuán)隊(duì)近期發(fā)布了一個(gè)三端子的新原理Gd@C82單原子存儲器。這是一個(gè)以單個(gè)Gd原子在C82原子籠中的位置作為信息的存儲方案。

本研究工作歷時(shí)四年，在本月以“A Gd@C82 single-molecule electret”（ 碳82籠中釓原子的單分子駐極體）為題發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology），南京大學(xué)張康康、張敏中、白占斌以及中國人民大學(xué)王聰為論文的共同第一作者, 來自五校的宋鳳麒、季威、謝素原、史夙飛、Mark A. Reed五位教授為論文通訊作者。

基本特性

研究團(tuán)隊(duì)通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量發(fā)現(xiàn)了世界上首個(gè)單分子駐極體（electret）——Gd@C82，在駐極體被人類合成100年后將其物理尺寸壓縮到極致的單分子水平（~1 nm，十億分之一米），這是目前人類所知最小的駐極體。在過去的研究工作中，各研究團(tuán)隊(duì)對于單分子駐極體的研究探索一直在進(jìn)行，但由于單個(gè)分子的電偶極穩(wěn)定性差，這些駐極體的存在一直存在爭議。

論文中報(bào)告了對Gd@C82的兩個(gè)相鄰電子態(tài)之間柵控切換的觀測，被包圍的Gd原子形成了一個(gè)電荷中心，它建立了兩個(gè)單電子傳輸通道。在柵電壓為±11V時(shí)，通過類鐵電電滯回線將系統(tǒng)切換到兩個(gè)傳輸通道之間。利用密度泛函理論，這兩種電子態(tài)被分配給兩個(gè)不同的永久電偶極方向，這些電偶極方向是由被困在C82籠內(nèi)兩個(gè)不同位置的Gd原子產(chǎn)生的。由于Gd@C82分子的正負(fù)電荷中心并不重合，使得分子中存在一個(gè)電偶極距，Gd原子位置的改變同時(shí)也是分子電偶極距的改變，類似一個(gè)單分子水平的鐵電體，這也是電滯回線出現(xiàn)的原因。

原理與測試

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員在1.6 K（約-271.55℃）的超低溫下，利用電致遷移納米間隙法，在一條約50nm寬的金屬導(dǎo)線上制造出了一道1nm左右的間隙，并成功構(gòu)造了多個(gè)Gd@C82單分子器件。

Gd@C82單分子器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖(a) 典型的反饋控制電遷移過程，圖(b)為金電極被破壞前的SEM電鏡圖；圖(c)電遷移后不同柵極電壓Vg下的I-V曲線；圖(d)微分電導(dǎo)dI/dV與偏置電壓Vds和柵極電壓Vg關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該單分子器件呈現(xiàn)出了兩套庫侖振蕩峰位，并且可以通過施加較大柵極電壓可控的將器件調(diào)至某一套振蕩峰位，即說明可以通過柵極調(diào)控分子的結(jié)構(gòu)。通過這個(gè)過程可以總結(jié)得到一個(gè)類似鐵電電滯回線的結(jié)果，其矯頑場大約在1 V/nm的水平。以往這一分子已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)存在偶極矩，所以這一單分子水平的電滯回線和矯頑場給出了單分子“鐵電”物理的關(guān)鍵證據(jù)。

圖為基于單分子器件開關(guān)的二進(jìn)制存儲狀態(tài)模擬：圖(a)中底部圖為柵電壓隨時(shí)間的變化，上部圖是溝道電流在2mV偏置電下與隨時(shí)間的變化；圖(b)以60s、10s和1s的時(shí)間步長表征兩種分子狀態(tài)的切換，這兩種狀態(tài)可通過控制柵壓改變。

以密度泛函理論計(jì)算表征單分子駐極體：圖(a)以Gd-IV和Gd-I之間的轉(zhuǎn)換表示開關(guān)；圖(b)-圖(c)以微分電導(dǎo)表示零偏置電壓下的有效分子軌道柵控電壓；圖(b)-圖(d)構(gòu)型 Gd-IV和Gd-I在費(fèi)米能級(?5.09 eV和?5.10 eV)附近的占據(jù)態(tài)的理論密度；圖(g)在不同電場作用下兩種構(gòu)型的躍遷路徑和對應(yīng)能壘。

前景展望

這是首次在單分子水平上證明了單分子駐極體的存在，并實(shí)現(xiàn)了存儲功能的驗(yàn)證，也是當(dāng)前已知報(bào)告中的最小駐極體。本研究以兩個(gè)不同的原子位置可以用來編碼信息，為未來存儲器件小型化提供一種方案，展現(xiàn)出作為一個(gè)新興研究方向的潛力。國內(nèi)的科研團(tuán)隊(duì)能夠主導(dǎo)和參與如此前沿的工作中，令人感到振奮，當(dāng)然，從產(chǎn)業(yè)化角度而言，小編認(rèn)為，存儲器相對邏輯電路進(jìn)程進(jìn)展要更為緩慢，以先進(jìn)制程必要的EUV光刻機(jī)為例，尚未在存儲器產(chǎn)線上全面應(yīng)用，因此本研究成果要在產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮作用還需要等待一段時(shí)間，到實(shí)際產(chǎn)品還需要領(lǐng)域內(nèi)的團(tuán)隊(duì)持續(xù)突破難題，為成果的產(chǎn)業(yè)化鋪平道路。

論文全文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41565-020-00778-z

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：科研前線 | 五校聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)首個(gè)單分子駐極體，在單原子存儲器研究領(lǐng)域獲突破

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