突破制造难题！MIT新技术打造分子电子器件

分子是打造下一代器件可用的最小构造单元之一。分子具备独特且可定制的特性，有望在新兴计算、传感、光子以及量子技术领域实现各类应用。然而，规模化将分子集成至功能器件始终是一大难题。传统半导体制造工艺容易损伤尺寸微小、性质脆弱的分子材料。

如今，麻省理工学院（MIT）研究人员开发出一套可规模化制备技术，能够将脆弱的分子材料无损集成到芯片上的电子器件之中。该方法拓展了标准半导体制造工艺的适用范围，实现分子兼容。研究人员先采用传统工艺预制器件组件；随后引入分子，并利用纳米尺度表面力对预制器件进行机械重构，器件完成自组装，整个过程不会损伤分子。

研究团队制备出逾千套包含亚纳米分子层的器件，验证了这套技术的稳定性与规模化能力。“我们这套平台兼顾传统半导体制造的量产能力，以及自组装工艺的高精度可控性。它搭建起全新制备框架，能够规模化、高通量地将分子等新兴纳米材料、量子材料集成进功能器件，实现以往难以达成的器件架构与性能。” 论文通讯作者、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Farnaz Niroui表示。

论文共同第一作者为EECS研究生Sarah Spector与Peter Satterthwaite，MIT化学系A. Thomas Guertin讲席教授Jeremiah A. Johnson及其他MIT研究人员也参与本次研究。该成果发表在《自然・纳米技术》（Nature Nanotechnology）。

以分子构筑器件

分子是由原子构成的微小团簇，其结构与化学属性能够精准设计，这意味着人们可以在广阔范围内调控分子性能。一旦集成到器件架构中，这类分子有望催生体积更小、速度更快、适应性更强的下一代电子与计算平台，同时助力打造高性能光子器件与新兴量子技术。

想要构建一套功能完整的系统，分子构筑单元需要和其他器件层集成。在电子系统中，关键步骤是让分子与金属界面形成电接触。但传统芯片制造所需的强化学试剂与工艺会破坏这类脆弱的分子材料，降低器件可靠性与性能。

论文第一作者Sarah Spector与Peter Satterthwaite正在探测分子器件。

为兼顾标准制备工艺的量产优势，同时满足分子加工所需的精度，MIT研究人员提出一套分离式两步法方案。研究人员首先借助标准半导体工艺完成全部器件组件制备，之后再引入分子材料，完成器件最终搭建。Satterthwaite称：“我们先完成主体器件结构加工，再置入脆弱材料。如此一来，便可使用原本和这类纳米材料不兼容的传统制造工艺。”

在实验验证中，研究人员先制备带有两个金属电极的支架结构，电极之间预留精准尺寸的间隙；随后在电极表面沉积分子层。最后，研究人员借助纳米作用力轻柔拉动上层电极贴合分子，以无损伤方式形成最终器件，实现自对准、无破坏的分子电接触。

纳米作用力的运用

重力是维系宏观世界的主导作用力，但在纳米尺度，起主导作用的是其他力。毛细力便是其中一种，能够将液体吸入微小缝隙（植物依靠毛细力将水分输送至茎秆）。

研究人员对电极刚度进行精密设计；当含有分子的溶液蒸发时，毛细力轻柔拉动两块金属表面相互靠近，分子被夹持在电极中间。两块电极贴合后，还需要维持稳定结构。为此团队利用另一种纳米尺度作用力 —— 范德华力。

范德华力会让物体表面相互吸引。研究人员通过调控器件表面积与分子特性，保证范德华力足以稳固维持电极结构，同时不会损伤分子。

“纳米尺度作用力是本方案的核心。我们不再直接加工最终所需结构，而是制作具备机械活动能力的结构，依靠作用力将其转化为依靠传统工艺难以制备的器件架构。”Spector解释道。

研究人员利用该技术制备超过1000套器件，内部分子层厚度不足1纳米。即便尺度如此微小，芯片上可用器件平均良率达到96%。这些器件稳定性出色，历经数万次电气循环后未出现性能衰减迹象。

Satterthwaite表示：“稳定性表现十分突出。想要推动分子器件走向实际应用，稳定性至关重要，但这也是该领域长期存在的难题。”

研究人员指出，这项通用性较强的技术支持分子器件在电路、系统层面集成，突破此前仅能研究孤立器件的局限。团队搭建了互联分子存储器件阵列，该方案有望应用于下一代计算平台。该制备技术还能够拓展至其他材料与器件架构。

未来，研究团队计划依托这套平台，研发各类新型多功能计算、传感器件与系统。Niroui补充道：“我们的平台可实现各类新兴分子材料、其他原子尺度材料的规模化无损集成，有助于加速这类定制功能材料的研发，并推动其落地于各类前沿技术。”