分子是構建下一代器件最小的基礎單元之一，其獨特且可定製的性質在新興計算、傳感、光學和量子技術領域具有廣闊的應用前景。
然而，將分子大規模集成到功能器件中仍面臨重大挑戰——傳統半導體製造工藝往往會損壞嬌小脆弱的分子材料。近日，麻省理工學院（MIT）研究人員開發出一種可擴展的製造技術，能夠在不造成損傷的前提下，將精密分子材料集成到晶片上的電子器件中。
該方法在標準半導體製造工藝的基礎上進行了擴展延伸，以適應分子材料的特殊需求。研究人員首先採用傳統工藝預製好器件各組成部分，隨後引入分子材料，並利用納米尺度的表面力對已製備的器件進行機械形變，使其在不損傷分子的前提下完成自組裝。
研究團隊通過製造逾1000個採用亞納米分子層的器件，充分驗證了這一技術的穩健性與可擴展性。
"我們的平台將傳統半導體製造的可擴展性與自組裝的精確可控性融為一體，為新興納米及量子材料（包括分子）在功能器件中的規模化、高通量集成建立了全新的製造框架，可實現此前難以企及的架構與性能。"論文通訊作者、麻省理工學院電氣工程與電腦科學系副教授、電子學研究實驗室成員法爾納茲·尼魯伊表示。
論文共同第一作者為電氣工程與電腦科學系博士生薩拉·斯佩克特和彼得·薩特思韋特，共同作者還包括麻省理工學院化學系A. Thomas Guertin講席教授傑里邁亞·A·喬韓森等。相關研究成果已發表於《自然·納米技術》期刊。
用分子構建器件
分子是由原子緊密結合而成的微小簇團，其結構與化學性質可被精確設計，從而在寬廣的設計空間內對其性能進行定製化工程調控。
一旦將分子集成到器件架構中，便有望催生更小、更快、更具適應性的下一代電子與計算平台，同時推動高性能光子器件和新興量子技術的發展。
要構建完整的功能系統，分子基本單元需要與其他器件層相互集成。在電子系統中，一個關鍵步驟是通過分子與金屬表面的界面接觸，為分子建立電學連接。然而，傳統晶片製造所需的強腐蝕性化學品和工藝會損壞這些脆弱的分子材料，導致器件可靠性和性能下降。
為了兼顧標準製造工藝的可擴展性與分子處理所需的精密度，MIT研究團隊開發了一種解耦式兩步法。
第一步，利用標準半導體製造工藝完成所有器件組件的製備；第二步，事後再引入分子材料，完成器件的最終構建。
"通過在主要器件單元製備完成後才引入精密材料，我們就能使用通常與這些納米材料不兼容的傳統工藝。"薩特思韋特說。
在實驗演示中，研究人員先製備了一個由兩個金屬電極組成、中間留有精確間隙的支架結構，再在電極表面沉積分子層。最後，研究人員利用納米尺度的力，將頂部電極輕柔地拉向分子，以無損方式完成最終器件的組裝，形成自對準、無損傷的分子電學接觸。
借力納米尺度的物理作用
在宏觀世界中，重力主導著物體的運動，而在納米尺度下，主導的物理力則截然不同。其中一種稱為毛細力，能夠將液體吸入細小空間——植物正是依靠毛細力將水分輸送到莖部。
通過精心設計電極的剛度，當含有分子的溶液蒸發時，毛細力會將兩個金屬表面輕柔地拉合在一起，分子則被夾在中間。
兩個電極就位後，研究人員還需將其維持在穩定狀態。為此，他們藉助另一種納米尺度的力——范德華力。范德華力能使兩個表面相互吸引。通過控制器件的表面積和分子性質，研究人員確保該力足夠強，能夠在不損傷分子的情況下將電極保持在穩定結構中。
"納米尺度的力在我們的方法中發揮了關鍵作用。我們並非直接製造最終想要的結構，而是先製造具有機械活動性的結構，再利用力將其轉變為用其他方法無法製造的架構。"斯佩克特解釋道。
利用這一技術，研究團隊製造了逾1000個分子層厚度不足1納米的器件，平均良率高達96%。這些器件還經受住了數萬次電學循環測試，未見任何退化跡象。
"穩定性尤為突出。這是推動分子器件走向實際應用的關鍵特性，但長期以來一直是該領域的一大難題。"薩特思韋特說。
研究人員表示，這一通用技術還支持分子器件在電路和系統層面的集成，將該領域的研究推進到孤立器件研究之外。他們通過構建一個相互連接的分子儲存器件陣列對此進行了驗證，該陣列有望在下一代計算平台中得到應用。
該技術還可延伸應用於其他材料和器件架構。未來，研究人員希望在此平台基礎上，進一步探索和開發新型多功能計算與傳感器件及系統。
"通過實現新興分子材料及其他原子尺度物質在功能器件中的高質量規模化集成，我們的平台加速了對這些具有定製功能材料的發現與設計，並推動其在新興技術中的部署應用。"尼魯伊補充道。
本研究部分獲得美國國防高級研究計劃局（DARPA）、半導體研究公司、美國國家科學基金會（NSF）、MathWorks獎學金及荷蘭科學研究組織的資助，器件製造工作部分在MIT.nano設施中完成。
Q&A
Q1：MIT開發的分子器件製造技術是如何實現無損集成的？
A：該技術採用兩步解耦法：先用傳統半導體工藝預製器件組件，再事後引入分子材料。關鍵在於利用納米尺度的毛細力和范德華力，使電極在溶液蒸發時自動合攏並夾住分子層，整個過程無需化學腐蝕或高溫處理，從而避免對脆弱分子材料造成損傷，實現自對準、無損傷的電學接觸。
Q2：這項分子器件製造技術的良率和穩定性表現如何？
A：研究團隊利用該技術成功製造了逾1000個器件，分子層厚度不足1納米，平均良率高達96%。在穩定性方面，這些器件經歷了數萬次電學循環測試，未出現任何性能退化，充分證明該技術具備支撐實際應用的可靠性，解決了分子器件領域長期面臨的穩定性難題。
Q3：分子器件未來可以應用在哪些領域？
A：分子器件因其結構和化學性質可精確設計，有望在多個前沿領域發揮重要作用，包括更小、更快、更靈活的下一代電子與計算平台、高性能光子器件以及新興量子技術。研究人員已演示了互聯分子儲存器件陣列，未來還計劃開發多功能計算與傳感器件及系統。
