首个单分子二极管示意图。

　美国哥伦比亚大学应用物理学副教授拉莎·文卡塔拉曼指导的研究团队开发了一种新技术，成功创建出首个单分子二极管，其性能比之前所有设计的要高50倍，有望在纳米器件领域获得实际应用。论文发表在5月25日的《自然·纳米技术》杂志上。

 

　　单分子器件是电子设备微型化的极致。亚利耶·艾佛莱姆和马克·瑞特在1974年提出，单个分子可以作为整流器，一个单向的电流导体。此后，科学家相继演示了单分子连接到金属电极上（单分子结）可用作多种元件，包括电阻器、开关、晶体管，以及二极管。

 

　　由二极管充当电阀，其结构需要不对称，以使两个方向的电流处于不同环境。据物理学家组织网报道，为了开发单分子二极管，研究人员简单地设计了具有非对称结构的分子。

 

　　“虽然这种不对称分子的确显示出一些类二极管特性，但它们并不有效。”论文第一作者、博士生布莱恩·卡珀兹解释说，“设计良好的二极管应只允许电流沿一个方向流动——接通方向，并且电流强度要大。非对称分子设计往往会出现接通（开）和断开（关）两个方向上都有微弱电流流过的现象，并且开电流和关电流的比率（整流比）通常都很低。而理想情况是，整流比应该非常高。”

 

　　为了克服非对称分子设计的相关问题，文卡塔拉曼的团队将重点放在为分子结构创造一个不对称的环境上。他们的方法相当简单——用离子溶液包围活性分子，并用不同大小的金属电极接触分子。

 

　　结果，他们获得的单分子二极管的整流比达到了250，比以前的设计高出50倍。文卡塔拉曼指出，二极管中的开电流可超过0.1微安，对于单分子而言，这个电流已经很大了。此外，新技术很容易实施，可以应用于所有类型的纳米器件，包括那些用石墨烯电极制造的器件。

 

　　“能够采用化学和物理学概念设计一个分子电路，并让它具备一定的功能性，这是很令人惊异的。”文卡塔拉曼说，“由于尺度如此之小，量子力学效应绝对是这一器件的一个重要方面。因此，能够创建一个看不见却表现得与预期一致的东西，这是一个真正的成功。”

 

　　研究团队目前正在努力理解这项成果背后的物理基础，并试图使用新的分子系统，进一步提高整流比。