郭雪峰课题组:CMOS兼容的单分子场效应晶体管研究获得重要进展



纵观过去的半个世纪信息工业的快速发展依赖于硅基电子器件不断微型集成7nm5nm节点的芯片已经商用,3nm甚至1nm制程已经接近极限的情况下,摩尔定律似乎已经开始走向终点因此发展机制新材料和新器件已经成为半导体行业的下一个转折点。其中,利用单个分子构建电子电路元器件得到了广泛的关注,是电子器件发展的终极目标首先,分子器件可以使得器件的导电沟道真正达到1nm左右水平,有望实现器件集成度的最大化。其次,引入功能性单分子去构建功能的单分子器件也是未来半导体行业的重要发展趋势之一在单分子器件的平台上引入栅极实现单分子场效应晶体管,关键的巨大挑战是如何克服长期存在的短沟道效应,如何在单分子水平上实现栅极对分子轨道能级的有效调控,从而实现高的开关比近日,北京大学化学与分子工程学院雪峰课题组联合中国科学院物理研究所孟胜课题组加拿大麦吉尔大学郭鸿课题组和法国雷恩大学Stéphane Rigaut课题组,首次在石墨烯基单分子器件的基础上构建超薄k电层实现了栅压对单分子器件电导的调控成功研制了CMOS兼容的高性能单分子场效应晶体管(图1

1. 单分子场效应晶体管的结构示意图

在前期工作中,雪峰课题组已经在单分子器件平台的基础上引入新型离子液体栅,研究了单分子对栅压的应规律,构建了具有多种功能的单分子器件Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 14026; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 20811; Sci. Adv. 2022, in press)。此次他们开发了新的技术平台,在石墨烯基单分子器件的基础上首次引入了CMOS兼容的固态栅,结构上更接近传统的场效应晶体管。如图1所示,他们先沉积金属铝作为固态栅的栅极材料金属铝表面自然氧化的氧化铝以及用溶胶凝胶法制备的氧化铪共同组成了超薄的电层,总厚度约为10nm,一定程度上克服了沟道效应同时,氧化铝与氧化铪的组成避免了后续的工艺对介电层的破坏,抑制了栅极的漏电现象在单分子水平上提高了场效应晶体管的性能。

6年前他们利用二芳烯分子实现了在单分子器件平台上监测光致异构引起开关效应Science 2016, 352, 1443在持续的可见光和紫外光的交替照射下,分子呈现了高低电导的交替变换。电导的变化反映出分子在不同波长的光照条件下发生了结构的变化。在此次研究中,他们与合作者设计合成了具备二芳烯致异构官能团的钌配位化合物(Ru-DAE,其中二芳烯单元不同波长的光照条件下可以实现开环与关的转换。他们将此分子引入固态栅单分子器件,不仅重现可逆的开关环反应,验证了单分子开关效应的可靠性,同时还发现二芳烯开关环的两种状态在栅极电压下的电学性质存在明显差异因此,引入二芳烯能团,可以揭示栅压对同一分子的不同结构导电性的调控能力和机制同时在同一器件上实现了光调控与栅调控两手段

如图2所示,二芳烯在开环状态下Ru-oDAE,分子处于弱共轭状态。栅压下,导电性能差实现了关态电流的有效控制由于HOMO的位置靠近石墨费米能级在小的栅压下,分子的HOMO轨道进入导电窗口,分子的电导迅速增加。与栅压时的电导相比,开关比高达104 而在关环状态下,分子处于共轭状态栅压时分子的电导就已经比较高,所以栅压下分子电导的变化与开环状态相比偏小导致开关比下降该工作首次在石墨烯基单分子平台引入了超薄k固态栅,并且通过具有光响应的二芳烯官能团,研究了在同一器件上栅压对不同分子结构的调控能力,为一步设计功能化的分子器件提供了崭新思路理论指导

2. a.二芳烯分子开环(RU-oDAE)与关环(RU-cDAE)状态下的透射谱; b. 不同栅压下开环分子的ID-VD 特性曲线; c. 栅压下分子轨道能级的变化。

该研究成果以Dual-Gated Single-Molecule Field-Effect Transistors beyond Moore’s Law为题317发表在Nature Communications上。北京大学化学与分子工程学院雪峰教授、中国科学院物理研究所的孟胜研究员加拿大麦吉尔大学郭鸿教授雷恩大学Stéphane Rigaut教授为该工作的共同通讯作者,文章的共同第一作者分别是在北京大学化学与分子工程学院合作培养的中科院物理所博士生孟利楠、雪峰课题组博士生辛娜北京大学化学与分子工程学院合作培养的南开大学博士生张苗郭鸿课题组博士生胡晨Stéphane Rigaut课题组博士生Hassan Al Sabea。该工作得到了来自科技部、国家自然科学基金委、北京市科委和北京大学等基金的支持。

 

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-28999-x

 

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