研究快讯 | 分子级电荷门对C60单分子晶体管中的非常规效应

来源：中国物理学会期刊网

原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 18 October 2019; 

online 05 November 2019

EXPRESS LETTER

The Unconventional Influence of a Nearby Molecule onto Transport of Single C60 Molecule Transistor

Xiao Guo(郭潇), Wen-jie Liang(梁文杰)

Chin. Phys. Lett. 2019, 36 (12): 127301

文章亮点

本文从实验上研究了单分子级别的场效应门作用。我们利用单个C60分子构成的晶体管器件，在器件周边放置额外的分子，来探测周边分子对单分子晶体管器件输运特性的影响。实验结果表明，当临近分子电子态变化一个电子的时候，单分子晶体管的电学特性会产生可观测的跳变。这种跳变随周边电场的调制，反映了所感知分子的化学势和电荷态的演化。这种效应与宏观门响应迥然不同。我们利用量子点的理论证明，这种演化机制源自于近邻分子与单分子器件之间存在的电容耦合和隧穿耦合。

分子级电荷门对C60单分子晶体管中的非常规效应

研究背景

以单个分子为核心单元的单分子器件代表电子学器件微型化的物理极限。其行为和性能引起了物理界广泛关注。近些年来，由于对更小尺寸电学器件的迫切需求，人们对单分子器件做了非常广泛的研究，取得了显著进步。人们开发了许多构造单分子器件的实验手段，也从基础研究层面积极的探索单分子尺度上电子输运的基本特性。在不同构型下，单分子器件已经能够实现许多电学元件的基本功能，包括导线、整流器、存储和开关等等，表现出补充传统硅基器件的巨大潜力。

目前的研究大部分只针对单个分子器件本身的特性。与传统电子学相比，分子电子学在集成和耦合方面尚缺乏研究。在单分子尺度上，各种类型的电接触、周边分子器件的关联以及门逻辑等都是具有挑战性的重要问题。研究和认识分子器件间以及分子周围环境的影响，特别是单分子间的门效应，是分子器件走向应用实现高密度集成或者构建全分子电路十分关键的一步。

内容简介

我们通过在C60单分子晶体管周围放置额外的C60分子（见图1）来探究周边分子对单分子器件输运特性的影响。对于一个普通的单分子晶体管器件，受轨道能级和分子内部电子相互作用的影响，其输运特性表现为库仑阻塞的特征，在二维输运图谱中呈现出典型的库仑菱形的图样，如图2所示。当器件周围存在一个额外的分子时，临近分子充电或者放电会改变单分子器件周围的静电环境，令器件中分子的化学势变化，导致其输运图谱中产生静电移动，并且发生静电移动的位置是一条有斜率的直线，如图3所示。使用双量子点输运的理论模型可以证明，产生这种现象的原因是周边分子与器件分子中间存在静电影响，同时两者之间还可以进行电子交换，即同时存在电容耦合和隧穿耦合。每当周边分子从分子器件中获得一个电子时，分子器件的化学势就会发生相应的移动。

图1. 周边分子影响下的单分子器件示意图。

图2. C60单分子晶体管器件的微分电导（dI/dV）随着器件偏压Vsd和栅压Vg 变化的二维图谱。

图3. 在周边分子影响下的C60单分子晶体管器件的微分电导（dI/dV）随着器件偏压Vsd和栅压Vg 变化的二维图谱。

研究意义及重要性

我们的实验结果揭示了一个临近分子如何影响一个分子器件的输运行为，加深了在单分子层面上对分子之间相互作用的理解。这些结果对于构建全分子电路将起到很积极的作用。同时，这种单分子器件对于周围分子单电子级别的探测能力，也有望在超灵敏探测领域发挥作用。

原文链接

HTML

PDF

研究快讯集锦

基于自旋极化的可控自组装方法

由11个固体自旋比特组成的量子寄存器的哈密顿量表征

稠密氢的液-液相变及金属化过程的“全量子”精确模拟

AlCuFe准晶复合材料的储锂性能

单层T-Graphene的超导及其合成路径

蛋白质折叠时间加快的量子理论

溴化氢压致分解中的新发现—溴的非公度结构

金刚石对顶砧中NV中心实现的高压原位磁测量

FeSe等层状材料的氢化和超导调控

超导FeTe薄膜的二级临界状态的观测

内禀磁性拓扑绝缘体的实验实现

Bi2212高温超导体中发现费米面依赖的超导能隙

利用机器学习提高助熔剂法生长单晶的成功率

过渡金属硫族化合物NbTe2中的超导电性和费米面各向异性

拓扑超导体(Li,Fe)OHFeSe磁通中心马约拉纳零能模的量子化电导

新型单层二维原子晶体AgTe

新量子自旋液体候选材料Cu3Zn(OH)6FCl

稀土硫族化合物：三角格子量子自旋液体材料的大家族

量子绝热算法和量子线路算法一样强大

层状氮化物MNCl (M: Hf, Zr)中电场诱导的稳态超导电性

自旋三重态超导电流产生自旋转移力矩的实验证据

量子反常霍尔效应多层结构的实验实现

点此浏览所有Express Letters

▼

往期精彩回顾

▼

1.宇宙中元素的起源

2.“量子霸权”来了，中国如何发力

3.钱学森、郭永怀、钱伟长…...哥廷根力学学派在中国的继承与发展

4.锂离子电池电极材料的第一性原理研究进展

5.基于扫描探针技术的超分辨光学成像和谱学研究进展

6.双中子星的并合及其引力波和电磁信号

7.一文看懂晶体缺陷

8.双中子星的星族合成研究

9.GW170817：爱因斯坦对了吗？

10.元素周期表的创立及其三次重要拓展——纪念门捷列夫周期表发表150周年