松山湖材料实验室发现单分子晶体管中的复杂量子关联效应

2021-03-12
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当器件的小型化趋势使得晶体管的尺寸进入到深纳米尺度的领域(<10nm),量子效应将越来越显著的体现它的作用。一个根本的问题是,世界上最小的晶体管其功能和操作原理与七十年以来的半导体器件是否相同?在量子力学原理统治的世界里这些极端的器件又会展现出什么新奇的物理效应呢?对这些问题的探究有可能对未来的电子器件以及介观物理学的发展提出新的可能性。

对极小晶体管器件的探索,一种方法就是直接把世界上最小的功能单元-单个小分子嵌入到电路中构成单个分子的场效应管的方式进行研究。这样的器件只有当分子能级与电路中电子能量相同时才会体现出信号的急剧变化,而分子的能级可以通过电场效应进行调节从而实现操控。而对分子中电子传输的探索可以通过扫描隧道显微镜的谱学研究来进行。这构成了分子电子学两大领域。

最近,松山湖材料实验室博士后郭潇、双聘研究员梁文杰等人巧妙地利用描述了一个酞菁锰分子构筑了世界上最小的晶体管器件并探索了其中的量子关联效应。证明在一个纳米以下的尺度上,单分子器件的传输特性与传统器件迥然不同,展现出复杂的量子关联行为。为未来单分子器件性能的探索和搭建单分子器件平台来研究关键基础物理问题提供了一个新的思路。

郭潇博士等人巧妙的构造纳米金属电极对并把单个酞菁锰分子嵌入其中,利用几纳米距离外的门电极对其中的多个分子轨道能量进行静电调控。研究发现这样构造的分子晶体管体系中电子不再是单个独立的穿过晶体管结构,而是通过多种量子效应构成新的关联态—一个电子能否穿越过该分子器件取决于该电子与分子中相关电子的关系,并且也跟分子中电子之间的量子关联有关。郭潇博士不但实现了这种量子效应的晶体管,同时还实现了对该分子晶体管性质的电学调控和对基本物理过程的定量化描述和讨论。

由单个分子构成的晶体管是目前器件小型化的尽头。当前的工作在分子电路的功能性上做出了独立的原创性发现并对当前器件小型化的终点给出了可信的预测。可以相信,不同的分子构成的最小型电子器件可能拥有不同的量子效应和功能体现。分子构成的电路的远景依赖于大量的研究探索和投入。

1  a 酞菁锰分子结构及器件示意图 b 单个酞菁锰分子晶体管器件低温下输运特性

器件导电性能随电压,温度和磁场的变化曲线

 

该论文第一作者为郭潇,通讯作者为梁文杰。该工作得到了National Basic Research Program of China (2016YFA0200800)、中科院(XDB30000000,XDB07030100)、Sinopec Innovation Scheme (A-527)等的支持。该研究成果以“Evolution and universality of Two-stage Kondo effect in single manganese phthalocynine molecule transistors” 为题,发表在 Nature Communications 12:1556 (2021) 上。

 

 

撰稿:梁文杰、郭潇