微觀世界的單分子電子學(xué)發(fā)展大邁進(jìn)—臺灣研究團(tuán)隊(duì)提出嶄新電極架構(gòu)獲登國際頂尖期刊《自然-材料科學(xué)》(Nature Materials)

背景與關(guān)鍵問題

電子用品已融入人們的生活日常，其中不乏以化學(xué)分子為關(guān)鍵材料的軟性電子元件，這些分子元件與矽材為主的半導(dǎo)體積體電路相輔相成，使電器性能更加完善，也更能滿足使用需求。這些進(jìn)展得力於尖端技術(shù)與新穎材料開發(fā)，其核心動能則源自於對基礎(chǔ)學(xué)理的深刻體會。以化學(xué)分子為關(guān)鍵材料的優(yōu)勢，在於分子性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)的可預(yù)測性，以及已臻成熟的當(dāng)代化學(xué)合成能力。合成並純化後的每條分子，相當(dāng)於電子元件的基本組裝單元。窮究分子性質(zhì)與電性表現(xiàn)的極致，便成了單一分子電器元件。經(jīng)歷四十餘年，如今學(xué)界已可以獲得單分子的電阻值，但也確認(rèn)了測得的數(shù)值包含顯著的界面電阻，亦即分子與電極的交互作用，在單分子電子學(xué)扮演著關(guān)鍵的角色。這個領(lǐng)域多採用單一元素的電極材質(zhì)，例如純金或純鉑之類的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的貴重金屬；分子與混合金屬的電極之界面作用對單分子電性的影響，則屬於未曾思考過的問題。

研究突破與特色

在科技部卓越領(lǐng)航、特約研究計(jì)畫以及教育部高教深耕計(jì)畫的支持下，國立臺灣大學(xué)化學(xué)系陳俊顯教授團(tuán)隊(duì) - 包含古孟文、彭晧兩位博士生，以及國立臺東大學(xué)應(yīng)用科學(xué)系陳以文教授團(tuán)隊(duì)，在單分子電子學(xué)領(lǐng)域提出雙金屬電極(bimetallic electrodes)的嶄新元件架構(gòu)。在金電極表面修飾單一原子層厚度的銀或銅，使電極表面與分子的作用力增加30%~80%，並為電極塑造出新的電子結(jié)構(gòu)，單分子導(dǎo)電值提升為金電極的40~60倍，研究成果已發(fā)表在自然科學(xué)頂尖期刊《自然材料》（Nature Materials）。

單一分子可以在兩個電極之間輔助或左右電子的傳輸模式，成為單分子電器，這個瘋狂、創(chuàng)意十足的理論假說，在1974年由瑞特納教授提出(Ratner，目前任教於西北大學(xué))。為了驗(yàn)證這個假說，必須建構(gòu)單分子電性量測平臺，此平臺需配合分子層級的奈米尺度，不難想像這類實(shí)驗(yàn)的高挑戰(zhàn)性。本實(shí)驗(yàn)特色是以低電位沈積法製作單一原子層的銀或銅，並以不破壞該修飾層的虛擬實(shí)境之原子力顯微術(shù)量測單分子導(dǎo)電值。所建立的理論模型，幫助微觀世界的單分子電子學(xué)發(fā)展，再向前邁進(jìn)一大步。

價值與潛力

對於單分子元件中，電極與分子的作用強(qiáng)度和輔助電子傳輸?shù)哪芰?，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)雙元素的電極設(shè)計(jì)是項(xiàng)有效的策略。此成果為單分子電子學(xué)開創(chuàng)新的研究途徑，未來可擴(kuò)展至其他組合的雙金屬電極，並因電極材料的變化，而增加電極-分子種類的配對，讓元件的設(shè)計(jì)更為多元。實(shí)務(wù)上，功能性分子與材料表面的作用在許多應(yīng)用扮演關(guān)鍵的角色，本研究在表面科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)展，可作為詮釋或創(chuàng)新界面現(xiàn)象與應(yīng)用的基礎(chǔ)。

結(jié)語：科技部長期支持基礎(chǔ)研究

科技部長期支持分子層次的基礎(chǔ)研究，並以共用資源方式建立基礎(chǔ)研究核心設(shè)施，提升研究的學(xué)術(shù)水準(zhǔn)。由於量測儀器與技術(shù)的進(jìn)步及便利性，使得奈米尺度的量子效應(yīng)與機(jī)制得以精確的檢測與呈現(xiàn)。單分子電子學(xué)是量子與奈米科技的未充分開發(fā)的領(lǐng)域，本研究後續(xù)帶動相關(guān)的發(fā)展值得期待。