厦门大学洪文晶/杨扬团队AFM：单分子晶体管目前最低亚阈值摆幅

针对摩尔定律在集成电路特征尺寸接近5 nm时遇到的瓶颈，业界和学界指出了解决方案的三个大方向：“More Moore”、“More than Moore”、“Beyond CMOS”。其中，Beyond CMOS方案的主要思路是探索基于新材料和新输运机制的器件架构，进而继续提升集成电路性能。因此，理想的新型器件需要具有高速开关、低功耗、高密度、高集成度、高稳定性等特性。基于隧穿机制的场效应晶体管器件有望实现低功耗和高性能的平衡，从而探索解决硅基器件纳米尺度面临的短沟道效应、高泄漏电流和60 mV/decade的亚阈值摆幅限制等问题的可能技术路线。

单分子电子器件为集成电路的小型化提供了一种潜在解决方案，而单分子晶体管是分子集成电路的核心单元。亚阈值摆幅（subthreshold swing, SS）是衡量晶体管的栅极效率和器件功耗的关键指标，它代表了源漏电流改变一个数量级所需栅极电压的变化量。电化学栅极具有100%的调控效率，其双电层电场厚度可低至1 nm以下，在操纵单分子结的电子转移过程方面具有显著优势。

近年来研究者们主要聚焦于非法拉第区间期望获得低亚阈值摆幅。然而，非法拉第电位区间的研究仍面临着一些挑战。例如，转移特性曲线高度依赖于理论透射曲线，亚阈值摆幅的进一步降低受限于理论透射曲线的斜率。与非法拉第电位区间不同的是，法拉第电位区间的优势在于其转移特性曲线高度依赖于快速电子转移动力学，有望实现较低的亚阈值摆幅。然而，氧化还原介导的单分子晶体管开关比难以提升，目前还没有关于利用法拉第电位区间实现亚阈值摆幅突破的报道。

近日，厦门大学洪文晶课题组(pilab.xmu.edu.cn)基于自主搭建的电化学门控扫描隧道显微镜裂结（EC-STM-BJ）装置制备了氧化还原介导的单分子电化学晶体管，在法拉第电位区间实现目前单分子晶体管最低的亚阈值摆幅（SS=120 mV/decade）。在该工作中，研究者通过在卟啉结构中插入醌式结构，将氧化还原反应和量子干涉效应有效结合，制备的单分子晶体管在法拉第电位区间实现了100的开关比，关态漏电流小于10 pA, 沟道长度缩减至1.9 nm, 亚阈值摆幅低至120 mV/decade，这代表了单分子晶体管的最新研究进展。

图1 单分子结的电化学门控

研究者通过CV实验和EPR实验对STPP和OSTPP分子的氧化还原机制进行了宏观表征，然后在一系列电化学电位下对单分子电导进行稳态测试，发现随着第一次可逆还原反应的发生，OSTPP分子在0.4 V的法拉第电位区间内实现了高达100的开关比，电导切换具有良好的稳定性和可逆性。值得一提的是，OSTPP单分子电化学晶体管在-0.3 V到-0.2 V的电位区间内实现了低至120 mV/decade 的亚阈值摆幅。

图2 分子结的统计转移特性和电流-电压特性测量

为了研究动态转移特性，研究者在分子结悬停器件进行电位和偏压扫描，进行了电导-电位（G-E）和电流-偏压（I-V）实验。OSTPP分子的动态转移特性G-E曲线呈现钟型变化，表现出和稳态良好的一致性。不同电位下的I-V特性分析则证实了分子器件输运特性在不同电位下的能级依赖。

图3质子化探索

考虑到卟啉和醌式分子在非质子有机溶剂和水溶液中复杂的氧化还原行为，研究者探索了氧化还原过程中质子可能发挥的作用。结合宏观表征和单分子电导测试，OSTPP的氧化还原行为被进一步证实为单电子转移反应，化学调制可带来高达400的开关比。

图4 分子结的输运特性分析

研究者进行了理论计算，模拟栅压下分子透射曲线的变化，发现随着栅压变得更负，OSTPP分子理论电导变化趋势具有钟型特征，计算结果与实验结果一致。

这一工作进一步降低了单分子晶体管的亚阈值摆幅，从实验上揭示了单分子晶体管突破传统硅基晶体管亚阈值摆幅室温理论极限的可能性，为化学、电子、材料科学和集成电路工程领域中低功耗高性能有机电子器件的发展提供了实验指导和突破方向。

该研究成果以“Redox-Mediated Single-Molecule Transistor with A Subthreshold Swing Down To 120 mV Decade-1”为题发表于国际一流期刊 《Advanced Functional Materials》上（DOI:10.1002/adfm.202302985）。厦门大学博士后/助理研究员陈力川博士、杨扬教授和洪文晶教授为该论文的共同通讯作者。厦门大学硕士研究生李耀光和博士研究生徐伟为该论文的共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、福建省自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。

厦门大学化学化工学院/人工智能研究院信息材料与工业智能实验室（洪文晶教授课题组）长期招聘博士后，欢迎申请。

申请链接：

https://pilab.xmu.edu.cn/Join_Usnx.htm

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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