作者雷切尔·伯克维茨，劳伦斯·伯克利国家实验室 扫描透射电子显微镜(STEM)图像的一个一维阵列的F4TCNQ分子(黄色-橙色)，在一个门可调的石墨烯设备
学分:伯克利实验室 从手机中的微型摄像头到电脑中的微处理器，小型电子电路为我们的日常生活提供动力
为了使这些设备更小，科学家和工程师正在用单个分子设计电路元件
小型化电路不仅可以提高器件密度、速度和能效(例如在柔性电子器件或数据存储中)，还可以利用特定分子的物理特性来制造具有独特功能的器件
然而，从单个分子开发实用的纳米电子器件需要精确控制这些分子的电子行为，以及制造它们的可靠方法
现在，正如《自然电子学》杂志上报道的那样，研究人员已经开发出一种方法来制造单个分子的一维阵列，并精确控制其电子结构
劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员领导的团队通过仔细调整施加到嵌入一维碳(石墨烯)层的分子链上的电压，发现他们可以控制所有、没有或部分分子携带电荷
然后，通过操纵链末端的单个分子，可以使产生的电荷模式沿着链移动
“如果你要用单个分子制造电子设备，你需要具有有用功能的分子，你需要弄清楚如何将它们排列成有用的模式
我们在这项工作中做了这两件事，”领导该项目的伯克利实验室材料科学部门的高级教师科学家迈克尔·克罗米说
这项研究是美国的一部分
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能源部(DOE)科学办公室资助的功能纳米机器表征项目，其总体目标是了解分子纳米结构的电学和机械特性，并创造能够在纳米尺度上将能量从一种形式转换为另一种形式的新的分子纳米机器
伯克利实验室团队选择的富含氟的分子的关键特征是它接受电子的强烈倾向
为了控制沉积在石墨烯基底上的15个这种分子的精确排列链的电子特性，克罗米(他也是加州大学伯克利分校的物理学教授)和他的同事们在石墨烯下面放置了一个金属电极，石墨烯也通过一个薄绝缘层与石墨烯分开
在分子和电极之间施加电压会驱动电子进出分子
这样，石墨烯支撑的分子就有点像电容器，一种用于电路中储存和释放电荷的电子元件
但是，与“正常”的宏观电容器不同，通过调整底部电极上的电压，研究人员可以控制哪些分子带电，哪些分子保持中性
在以前的分子组装研究中，分子的电子性质不能在原子长度尺度上被调谐和成像
如果没有额外的成像能力，在电气设备的环境中就不能完全理解结构和功能之间的关系
通过将分子放置在伯克利实验室分子铸造纳米科学实验室研发的石墨烯基底上的特殊设计的模板中，克罗米和他的同事确保了分子可以完全被显微镜观察和电子操作所访问
不出所料，在支撑分子的石墨烯下面的金属电极上施加一个强正电压，使它们充满电子，使整个分子阵列处于负电荷状态
移除或反转该电压会导致所有增加的电子离开分子，使整个阵列回到电荷中性状态
然而，在中间电压下，电子仅填充阵列中的每一个其他分子，从而产生“棋盘”模式的电荷
克罗米和他的团队用电子相互排斥的事实来解释这种新奇的行为
如果两个带电分子暂时占据相邻的位置，那么它们的排斥力会将其中一个电子推开，迫使它在分子行的更下方的一个位置上沉淀下来
“我们可以使所有的分子不带电荷，或者全部充满，或者交替进行
我们称之为集体电荷模式，因为它是由整个结构中的电子-电子排斥决定的，”克罗米说
计算表明，在具有交变电荷的分子阵列中，阵列中的末端分子应该总是包含一个额外的电子，因为该分子没有引起排斥的第二个邻居
为了实验性地研究这种类型的行为，伯克利实验室团队移除了具有交替电荷的分子阵列中的最后一个分子
他们发现原来的电荷模式被一个分子改变了:被充电的位置变成了中性，反之亦然
研究人员得出结论，在带电的末端分子被移除之前，与其相邻的分子一定是中性的
在阵列末端的新位置，原来的第二个分子带电了
为了保持带电和不带电分子之间的交替模式，整个电荷模式必须移动一个分子
如果每个分子的电荷被认为是一点信息，那么移除最后一个分子会导致整个信息模式移动一个位置
这种行为模仿了数字电路中的电子移位寄存器，为将信息从分子器件的一个区域传输到另一个区域提供了新的可能性
在阵列的一端移动一个分子，可以在装置的其他地方打开或关闭开关，为未来的逻辑电路提供有用的功能
“我们发现这个结果非常有趣的一点是，我们能够改变电荷，从而改变非常远的分子的性质
这种控制水平是新的，”克罗米说
通过他们的分子阵列，研究人员实现了创造一种具有非常特殊功能的结构的目标；也就是说，通过施加电压可以在不同的可能状态之间精细调节分子电荷的结构
改变分子的电荷会导致它们的电子行为发生变化，从而改变整个装置的功能
这项工作源于能源部构建精确分子纳米结构的努力，该结构具有明确的机电功能
伯克利实验室团队控制分子电荷模式的技术可能会导致包括晶体管和逻辑门在内的纳米级电子元件的新设计
这项技术也可以推广到其他材料，并纳入更复杂的分子网络
一种可能性是调整分子以产生更复杂的电荷模式
例如，用分子中的一个原子替换另一个原子可以改变分子的性质
在阵列中放置这种改变的分子可以创造新的功能
基于这些结果，研究人员计划探索分子阵列中新变化产生的功能，以及它们如何潜在地用作微型电路元件
最终，他们计划将这些结构整合到更实用的纳米设备中
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