世界上性能最高的单分子二极管开发功能性单分子二极管是电子工业的主要追求

“使用单个对称分子，离子溶液和两个暴露表面区域明显不同的金电极，我们能够创建一个二极管，产生整流比，固定电压下正向和反向电流的比率，超过200“这是单分子器件的记录，”分子铸造厂主任JeffNeaton说道，伯克利实验室材料科学部高级教员科学家和加州大学伯克利分校物理系，以及Kavli成员伯克利能源纳米科学研究所(KavliENSI)。

“二极管行为所需的不对称性源于不同的暴露电极区域和离子溶液，”他说。“这导致两个电极周围的不同静电环境和最高级的单分子器件行为。”

随着“更小，更快”作为电子工业的驱动口号，单分子器件代表了电子小型化的最终极限。1974年，分子电子学先驱MarkRatner和AriehAviram推测，不对称分子可以作为整流器，电流的单向导体。从那时起，功能性单分子电子器件的开发一直是主要的追求，二极管-最广泛使用的电子元件之一-位居榜首。

典型的二极管由一对电极(阳极和阴极)之间的硅pn结构成，该电极用作电路的“阀”，通过允许电流仅在一个“向前”方向上通过来引导电流。pn结的不对称性使电子具有“开/关”传输环境。科学家以前通过化学合成特殊的不对称分子来制造单分子二极管，这种分子类似于pn结;或者通过使用具有不同金属的对称分子作为两个电极。然而，所得到的不对称结产生低的整流比和低的正向电流。Neaton和他在哥伦比亚大学的同事已经找到了解决这两方面缺陷的方法。

“分子长度尺度的电子流以量子隧道为主，”Neaton解释道。“隧穿过程的效率取决于分子离散能级与电极连续光谱的对齐程度。在分子整流器中，这种对准增强了正电压，导致隧道效应增加，并且减少了在MolecularFoundry，我们开发了一种精确计算单分子结中能级对准和隧穿概率的方法。这种方法使我和刘振飞能够定量地理解二极管的行为。

Neaton和Liu与哥伦比亚大学的LathaVenkataraman和LuisCampos以及他们各自的研究小组合作，从对称分子连接处制造出高性能整流器，分子共振与金电极的费米电子能级几乎完美对齐。通过暴露于离子溶液的每个金电极上的区域的大小的显着差异打破了对称性。由于不对称电极面积，离子溶液和结能级对准，正电压基本上增加了电流;负电压同样显着地抑制它。

“离子溶液与电极区域的不对称性相结合，使我们可以通过改变偏置极性来控制结的静电环境，”Neaton说。“除了破坏对称性外，离子溶液形成的双层也会在两个电极上产生偶极差异，这是分子共振不对称移位背后的根本原因。哥伦比亚集团的实验表明，使用相同的分子和电极设置，非离子溶液根本不会产生整流。“

伯克利实验室-哥伦比亚大学团队认为，他们对单分子二极管的新方法提供了调整非线性纳米级器件现象的一般途径，这些现象可应用于超分子结和双端器件之外的系统。

“我们希望从这项工作中获得的理解适用于其他环境中的离子液体门控，以及推广到用二维材料制造的器件的机制，”Neaton说。“除了设备之外，这些微小的分子电路是用于揭示和设计纳米级电荷和能量流动的新途径的培养皿。对于这个领域我感到兴奋的是它的多学科性质-对物理和化学的需求-以及实验与理论之间的强有力耦合。

“随着单分子水平的实验控制水平的提高，理论理解和计算速度和准确度的提高，我们只能处于冰山一角，我们可以在这些小长度范围内理解和控制。

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