近日，伯克利实验室和哥伦比亚大学的一个研究团队开创了分子电子学上的一个重要的里程碑，开发出世界上性能最高的单分子二极管。在伯克利实验室的分子铸造部门里，利用美国能源部(DOE)办公室的科学用户设备，该团队采用金电极和离子溶液相结合的方法制备出新型的单分子二极管，其性能优于此前最好二极管约50倍。

Jeff Neaton是分子铸造部门的主任，也是伯克利实验室材料科学部门和加州大学伯克利分校物理系的资深教授，同时还是伯克利的Kavli能源纳米科学研究所的成员。他说：“利用单一对称分子、离子溶液和两种具有不同接触区域的金电极，我们开发出的单分子二极管的整流比，也就是反向电流与固定电压的比例，已经超过了200，创造了单分子二极管设备的记录。”

如图所示为利用非对称电极制备的新型单分子二极管，该二极管只

允许电流在一个方向流动。图片来源:伯克利实验室和哥伦比亚大学。

“二极管所需的不对称性是由不同的电极接触区域和离子溶液产生，这将导致两个电极间不同的静电环境，进而可以制备出最好的单分子器件。”

微型化和高速化是电子器件行业追求的目标，而单分子设备则代表了电子微型化的极限。1974年，分子电子学的Mark Ratner和AriehAviram指出非对称结构的分子可以作为整流器（一种单向电流导体）使用。从那时起，制备功能性单分子电子器件就成为二极管的主要发展目标，二极管是使用最广泛的电子元件之一。

典型的二极管是硅质的PN结二极管，该二极管由一对电极(阳极和阴极)作为电路的“阀门”，通过允许电流单向流通来控制电流的的流动。不对称的PN结构成电子“开/关”的流通环境。科学家曾模仿PN结的原理，用化学法合成特殊的不对称分子来制备单分子二极管，也使用对称分子与不同的金属作为两个电极来制备单分子二极管。但是，制备出的不对称PN结的结构整流比低、正向电流也小。哥伦比亚大学的Neaton和他的同事利用一种方法可以解决这两种方式的缺陷。

Neaton解释道：“分子尺度上的电子流通是基于量子隧穿效应。隧穿过程的效率与分子排列的有序程度以及电极连续光谱中能量的离散水平紧密相关。分子整流器中的有序排列可以增大正电压，同时可以降低负电压，导致隧道中电流的增大。在分子铸造部门，我们开发出一种能准确计算单分子结重能级分布和隧穿概率的方法。这使得我们可以定量地理解二极管的性能。”

与哥伦比亚大学的LathaVenkataraman和Luis Campos所在的研究团队进行合作，Neaton和Liu制备出一种高性能的整流器，该整流器由对称的分子与金电极以近乎完美的排列方式在费米电子能级处造成分子共振。分子的对称性由于金电极接触区域的差异遭到破坏，暴露在离子溶液中。由于电极面积、离子溶液和能级结分布的不对称性，正电压增大，使得电流显著增强；同样，负电压减小，也使得电流显著增强。

Neaton说：“将离子溶液和电极不对称区域相结合，使得我们仅仅通过改变偏压就能够控制PN结的静电极性。除了要破坏对称性，离子溶液形成的双电层也增加了两个电极之间偶极子的差异，这是分子共振不对称变换的潜在原因。哥伦比亚的实验表明，如果分子和电极是相同的，非离子型溶液不发生整流效应。”

伯克利实验室和哥伦比亚大学的单分子二极管研究团队指出，这种新方法为优化非线性纳米尺度设备提供了通用的制备路径，也可以应用到系统之外的单分子连接结和两端设备。

Neaton指出：“我们希望该研究有助于离子液体在其他设备上的应用，也希望将该机制推广到制造二维设备中。除了在设备上的应用，这种小分子电路还可以为揭示和设计纳米尺度的电流和能量流提供思路。令我兴奋的是，该研究成果在多个学科内（包括物理和化学）都有潜在价值，也有利于将实验和理论联系起来。”

“利用实验方法来控制单分子水平的制备，并提高和改进理论解释及计算速度和准确度，我们这种微型尺度的解释控制还只是冰山一角。”

新材料在线编译整理——翻译：陈琼    校正：摩天轮