芯片还能更小！MIT把分子塞进电极缝隙，一口气造出1000多个，成功率96%
当芯片中的晶体管已经缩小到数纳米，继续沿着传统路线不断缩小器件，正变得越来越困难。过去几十年，研究人员一直在寻找新的器件材料，希望突破硅所面临的物理和制造极限，分子电子学（Molecular Electronics）便是其中一条重要探索方向。
科学家很早就发现，一些分子不仅能够传输电子，还可以在不同状态之间切换，具备成为电子器件的基础。 如果这些尺寸仅有几纳米甚至不足 1 纳米的分子能够稳定集成到芯片中，未来的电子器件有望进一步缩小，并获得传统硅材料难以实现的新功能。
不过，对于这个想法来说，真正的困难并不在于找到这样的分子，而是如何把它们制造出来。传统半导体工艺中的光刻、刻蚀、金属沉积和化学处理，都可能破坏这些脆弱的分子层，使它们难以走出实验室。
8 月 3 日，麻省理工学院研究团队在 Nature Nanotechnology 发表研究，提出了一种新的制造平台。研究人员先利用常规半导体工艺完成电极和支撑结构，再在最后阶段加入分子，借助纳米尺度的表面作用力让器件自行闭合。 团队由此制造了超过 1,000 个分子电子器件，平均良率达到 96%，器件经过数万次电学循环后仍未出现明显退化。
研究人员还将多个分子存储器连接成阵列，完成了初步的电路级验证。这项工作的重点，并非发现一种新的分子，而是提出了一套能够兼容现有半导体工艺的制造方法，使分子电子器件开始具备规模制造和系统集成的可能。
图｜项目主要作者 Sarah Spector 和 Peter Satterthwaite 共同探测一种分子设备（来源：MIT News）
一个分子，为什么能成为电子器件？
芯片中的电子器件，本质上承担着控制电子运动的任务。
导线让电子通过，二极管限制电流方向，晶体管控制电路通断，存储器则利用不同的电学状态保存信息。只要一种材料或结构能够完成这些功能，就有机会成为器件的一部分。
分子同样拥有自己的电子结构。它由多个原子按照特定方式连接而成，内部电子分布在一系列分子轨道和能级中。 当一个分子被夹在两个金属电极之间，电子可能从一侧电极进入分子，再移动到另一侧。 电子通过的难易程度，取决于分子的组成、形状、长度、化学键以及它与金属表面的连接方式。
图｜约 1 纳米厚的分子层被夹在上下两层金属电极之间，形成电子传输通道。（来源： Nature Nanotechnology ） 这种电子性质还可以通过化学合成进行调节。改变分子中的原子种类、官能团或空间结构，往往会改变它对电子的传输能力。有些分子适合充当导电通道，有些具有类似二极管的整流作用，还有一些可以在两种稳定状态之间切换，并在外部电压消失后保留当前状态，用来表示数字信息中的“0”和“1”。
1974 年，IBM 研究员 Arieh Aviram 和纽约大学化学家 Mark Ratner 提出，可以设计一种由单个有机分子构成的整流器，使电流更容易沿一个方向通过。这项理论工作后来被视为现代分子电子学的重要起点。此后数十年间，分子导线、分子开关、分子晶体管和分子存储器相继在实验室中得到验证。
分子电子学受到关注，首先是因为分子极小。 许多分子的尺度只有几纳米，部分分子层的厚度甚至不足 1 纳米。假如这些结构能够稳定承担电子功能，器件尺寸便有机会进一步向原子尺度靠近。
分子的价值也不只有尺寸上的优势。 硅晶体管的性能主要通过几何结构、材料组合和掺杂等方式调节，分子则可以从化学结构开始设计。 研究人员能够为其加入光敏、磁性、氧化还原或环境响应特性，使器件在受到光、电场、磁场或特定化学物质刺激后改变状态。这样的材料可能同时承担计算、存储和感知功能，为存内计算、神经形态计算、光电子和量子器件提供新的设计空间。
不过，证明一个分子可以导电，与制造一套可靠的分子电路之间，仍隔着复杂的工程环节。
由于分子层极薄，当被夹在两个金属电极之间时，电极间距的细微变化、分子的排列方向、界面污染以及分子和金属之间的成键方式，都会明显改变电子传输性能。对常规芯片而言可以忽略的制造误差，到了分子尺度可能直接决定器件能否工作。
制造过程本身也会带来损伤。现代半导体工业依靠光刻、刻蚀、薄膜沉积和清洗逐层构建芯片，其中可能涉及高温、强反应性化学物质和高速粒子。这些工艺适合加工硅、金属和氧化物，却可能让有机分子发生分解、变形或污染。
分子电子学过去长期停留在单器件研究阶段，很大程度上源于这种矛盾：研究人员能够设计出具有电子功能的分子，却很难在保持其结构完整的同时，制造出均匀、稳定且可以大量复制的电极接触。
先造芯片，再放分子
针对这一难题，MIT 团队将传统半导体加工和分子集成拆成了前后两个阶段。
研究人员首先使用常规芯片工艺完成金属电极和器件支撑结构的制造。此时，器件的大部分结构已经成形，但上下两层电极之间仍保留一条狭窄间隙。等到光刻、刻蚀和材料沉积等加工全部结束后，研究人员才将分子溶液沉积到电极表面。这样，脆弱的分子无需经历高温、化学处理等制造过程，只参与最后一步组装。
随后，随着溶液蒸发，毛细力（Capillary Force）将上层电极缓慢拉向下层电极，使分子层被夹在两块金属之间；电极闭合后，范德华力（van der Waals Force）进一步将两者稳定固定，形成可靠的电学接触。整个过程无需直接加工最终形成的亚纳米间隙，而是利用表面作用力实现自对准和自组装，从而减少传统制造可能带来的位置误差和材料损伤。