五校联合团队意外发现了单分子驻极体操控，实现了一个类铁电存储器

本期为大家介绍的是南京大学、厦门大学、中国人民大学、耶鲁大学、伦斯勒理工学院五校联合课题组制备得到的单原子存储器，课题组最初以单自旋存储为实验目标，然而未能观察到磁性存储的迹象，却意外的看到了单分子驻极体操控，实现了一个类铁电存储器。

研究背景

摩尔定律指出：每18个月，集成电路上的晶体管密度可翻一倍。这几十年来，半导体产业发展一直沿这一定律前行，这也使得最新电子设备要比之前的体积更小，性能更强。

当前微电子工艺特征尺度已经走入5nm，不久的将来必然进入原子尺度。在这一背景下，以单个原子为信息单元的存储、逻辑器件的设计就成为未来原子集成电路的关键研发内容。来自南京大学、厦门大学、中国人民大学、耶鲁大学、伦斯勒理工学院的五校联合团队近期发布了一个三端子的新原理Gd@C82单原子存储器。这是一个以单个Gd原子在C82原子笼中的位置作为信息的存储方案。

本研究工作历时四年，在本月以“A Gd@C82 single-molecule electret”（ 碳82笼中钆原子的单分子驻极体）为题发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology），南京大学张康康、张敏中、白占斌以及中国人民大学王聪为论文的共同第一作者, 来自五校的宋凤麒、季威、谢素原、史夙飞、Mark A. Reed五位教授为论文通讯作者。

基本特性

研究团队通过理论计算和实验测量发现了世界上首个单分子驻极体（electret）——Gd@C82，在驻极体被人类合成100年后将其物理尺寸压缩到极致的单分子水平（~1 nm，十亿分之一米），这是目前人类所知最小的驻极体。在过去的研究工作中，各研究团队对于单分子驻极体的研究探索一直在进行，但由于单个分子的电偶极稳定性差，这些驻极体的存在一直存在争议。

论文中报告了对Gd@C82的两个相邻电子态之间栅控切换的观测，被包围的Gd原子形成了一个电荷中心，它建立了两个单电子传输通道。在栅电压为±11V时，通过类铁电电滞回线将系统切换到两个传输通道之间。利用密度泛函理论，这两种电子态被分配给两个不同的永久电偶极方向，这些电偶极方向是由被困在C82笼内两个不同位置的Gd原子产生的。由于Gd@C82分子的正负电荷中心并不重合，使得分子中存在一个电偶极距，Gd原子位置的改变同时也是分子电偶极距的改变，类似一个单分子水平的铁电体，这也是电滞回线出现的原因。

原理与测试

在实验中，研究人员在1.6 K（约-271.55℃）的超低温下，利用电致迁移纳米间隙法，在一条约50nm宽的金属导线上制造出了一道1nm左右的间隙，并成功构造了多个Gd@C82单分子器件。

Gd@C82单分子器件结构示意图；图(a) 典型的反馈控制电迁移过程，图(b)为金电极被破坏前的SEM电镜图；图(c)电迁移后不同栅极电压Vg下的I-V曲线；图(d)微分电导dI/dV与偏置电压Vds和栅极电压Vg关系。

实验发现，该单分子器件呈现出了两套库仑振荡峰位，并且可以通过施加较大栅极电压可控的将器件调至某一套振荡峰位，即说明可以通过栅极调控分子的结构。通过这个过程可以总结得到一个类似铁电电滞回线的结果，其矫顽场大约在1 V/nm的水平。以往这一分子已经被发现存在偶极矩，所以这一单分子水平的电滞回线和矫顽场给出了单分子“铁电”物理的关键证据。

图为基于单分子器件开关的二进制存储状态模拟：图(a)中底部图为栅电压随时间的变化，上部图是沟道电流在2mV偏置电下与随时间的变化；图(b)以60s、10s和1s的时间步长表征两种分子状态的切换，这两种状态可通过控制栅压改变。

以密度泛函理论计算表征单分子驻极体：图(a)以Gd-IV和Gd-I之间的转换表示开关；图(b)-图(c) 以微分电导表示零偏置电压下的有效分子轨道栅控电压；图(b)-图(d)构型 Gd-IV和Gd-I在费米能级(−5.09 eV和−5.10 eV)附近的占据态的理论密度；图(g)在不同电场作用下两种构型的跃迁路径和对应能垒。

前景展望

这是首次在单分子水平上证明了单分子驻极体的存在，并实现了存储功能的验证，也是当前已知报告中的最小驻极体。本研究以两个不同的原子位置可以用来编码信息，为未来存储器件小型化提供一种方案，展现出作为一个新兴研究方向的潜力。国内的科研团队能够主导和参与如此前沿的工作中，令人感到振奋，当然，从产业化角度而言，小编认为，存储器相对逻辑电路进程进展要更为缓慢，以先进制程必要的EUV光刻机为例，尚未在存储器产线上全面应用，因此本研究成果要在产业中发挥作用还需要等待一段时间，到实际产品还需要领域内的团队持续突破难题，为成果的产业化铺平道路。

论文全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-020-00778-z

责任编辑：xj

原文标题：科研前线 | 五校联合团队发现首个单分子驻极体，在单原子存储器研究领域获突破

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