利用原子級精度制造的分子電子器件可能突破當前芯片密度極限，將元件集成度提高至1000倍。

數十年來，晶體管微縮化一直是計算性能提升的核心驅動力，但這一途徑正面臨物理與經濟的雙重極限。當前尖端芯片如蘋果基于臺積電3納米工藝打造的A17 Pro和M4處理器，其晶體管柵極長度已低于15納米。在這種尺度下，電子開始穿透本應隔絕它們的勢壘，導致設備關閉時仍出現漏電流。由此產生的能量浪費、過熱問題，以及伴隨晶體管代際微縮而來的能效提升收益遞減，正成為嚴峻挑戰。

與此同時，建造一座3納米晶圓廠的成本已超過200億美元。這些困境促使學界重新關注一種顛覆性方案：以單個分子作為功能電子元件。

單分子器件或可超越硅芯片

電子天然更易單向流動的特性，使得單個分子能像微型二極管一樣工作。盡管這一構想曾催生整個研究領域，但長期以來受限于對納米級物體的控制和測量難題。歷經數十年技術創新，可靠的測試才成為可能。

《微系統與納米工程》近期綜述總結了該領域進展，涵蓋制造技術、功能器件與集成策略，表明分子電子學已從理論發展為重要的候選技術。據報道，其潛在器件密度可達每平方厘米101?個，較當前硅芯片提升約1000倍。

分子電子學的工作原理與傳統芯片截然不同。電荷并非通過連續材料傳輸，而是經由量子隧穿穿越分子結。電導隨分子長度增加呈指數衰減，意味著更長的分子載流能力更弱。

量子干涉效應提供了額外控制維度。在苯基分子中，電子可經多路徑傳輸產生增強或抵消效應。當連接點位于苯環對位時，干涉效應會增強電導；而在間位構型中，干涉效應會使電導驟降數個量級。這些特性創造了普通半導體無法實現的功能。

構建納米級可靠分子結

制造分子結需要電極間距小于3納米。靜態結采用固定間隙，可通過電遷移或液態金屬接觸自組裝分子層等方法實現，碳電極則能改善連接性。

動態結通過反復形成/斷開接觸來采集數據，包括機械可控斷裂結、掃描隧道顯微鏡斷裂結以及自動化測量的微機電系統等技術。數千次循環生成的特征電導直方圖可揭示單個分子的獨特電導特性。

因此，科學家們正在探索構建三維分子電子器件的方法。被稱為"硅通孔"的垂直通道可連接堆疊的分子層，水平布線則可使用銅或釕等金屬。

熱管理仍是重大挑戰：有機分子在200℃以上就會分解，而標準芯片工藝溫度超過400℃。研究人員建議僅在制造最終階段引入分子。利用DNA折紙術可實現精確定位——通過折疊DNA形成納米結構來引導分子排布。早期應用已展現潛力：分子憶阻器可助力類腦計算，分子傳感器能追蹤單次化學反應，揭示傳統技術無法觀測的細節。

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