本文來自論文作者團(tuán)隊(duì)投稿

后摩爾時(shí)代

英特爾創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾曾用摩爾定律來描述信息技術(shù)飛速發(fā)展的趨勢(shì)。具體來說，半導(dǎo)體芯片中可容納的晶體管數(shù)量每18個(gè)月到24個(gè)月就會(huì)增加一倍，這一趨勢(shì)深刻影響著人類世界文明的發(fā)展進(jìn)程。

近幾十年來，我們?nèi)粘Ｊ褂玫挠?jì)算機(jī)、手機(jī)等電子設(shè)備的運(yùn)算能力得到了極大的提升，同時(shí)運(yùn)算能力的激增也帶來了如人工智能等全新的研究范式與手段。然而，在2023年的今天，摩爾定律所預(yù)示的半導(dǎo)體芯片小型化趨勢(shì)因受到物理極限的限制而逐漸放緩了腳步，世界進(jìn)入后摩爾時(shí)代。目前，如臺(tái)積電等世界頂尖的半導(dǎo)體芯片制造廠商，已將半導(dǎo)體芯片的制程推進(jìn)到了3 ~ 5 nm節(jié)點(diǎn)。這意味晶體管的尺寸正在逐漸接近單分子或無機(jī)團(tuán)簇的領(lǐng)域。

早在20世紀(jì)50年代，為了設(shè)計(jì)構(gòu)建具有極限尺寸的電子器件，研究者們就開始有了利用單分子實(shí)現(xiàn)電子器件的想法。最初提出分子電子學(xué)（Molecular Electronics）這一概念的是美國(guó)空軍航空研究與發(fā)展指揮部C. H. Lewis上校。1974年，IBM的Ari Aviram與其導(dǎo)師Mark Ratner教授共同提出利用非對(duì)稱給受體分子構(gòu)建單分子二極管的設(shè)想（Chem. Phys. Lett. 1974, 29, 277），這通常被認(rèn)為是分子電子學(xué)領(lǐng)域的開端。

然而，時(shí)光荏苒，分子電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展一直舉步維艱，直到1997年，才有了第一次受到大眾認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（Science 1997, 278, 252）。之所以分子電子學(xué)這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展如此艱難，是因?yàn)槠渚哂谢?、材料、電子、化學(xué)、物理等學(xué)科高度交叉的特點(diǎn)，如此高的門檻使得只有世界上少數(shù)的頂尖高校及科研機(jī)構(gòu)才能從事該領(lǐng)域的研究。

雖然目前的半導(dǎo)體芯片制程工藝已達(dá)到分子電子學(xué)的領(lǐng)域，但是分子電子學(xué)在基礎(chǔ)理論研究方面仍然還存在許多不足之處，不足以支撐其實(shí)際應(yīng)用，有待更多的研究者進(jìn)一步探索與發(fā)展分子電子學(xué)領(lǐng)域。

單分子邏輯門

理解和控制單分子開關(guān)是分子邏輯運(yùn)算和納米級(jí)計(jì)算進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)。

分子結(jié)在分子電子學(xué)中的作用通常與電子傳輸相關(guān)，然而其精確表征阻礙了分子結(jié)技術(shù)的廣泛發(fā)展。最近，大多數(shù)研究都集中在分子結(jié)的電子表征上。

實(shí)際上，除了施加的電壓之外，光場(chǎng)也可以影響分子的狀態(tài)，并互補(bǔ)地表征分子狀態(tài)。光場(chǎng)與分子結(jié)的相互作用是分子開關(guān)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵補(bǔ)充因素。然而，大多數(shù)傳統(tǒng)光譜方法都受到衍射極限的限制，難以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)超高空間分辨率的分子態(tài)表征。

基于局域表面等離子體模式的近場(chǎng)增強(qiáng)技術(shù)可以突破衍射極限，為超分辨顯微光譜技術(shù)提供出色的解決方案。這種近場(chǎng)增強(qiáng)技術(shù)為納米空間區(qū)域提供了超高精度的調(diào)控及表征方法，例如用于納米電子器件中隧道電流的相干控制、處理和測(cè)量技術(shù)。

近期，由佛山季華實(shí)驗(yàn)室畢海研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)及其合作者提出了一種單分子拉曼開關(guān)，該開關(guān)不僅可以由施加的電壓控制，也可以通過入射光場(chǎng)的方向來控制。

在該項(xiàng)研究中，研究了近場(chǎng)光學(xué)角動(dòng)量和偏置電壓對(duì)單分子結(jié)（單分子開關(guān)）拉曼響應(yīng)的綜合影響。使用自制的分子結(jié)光譜（MJS）平臺(tái)，對(duì) TM-TPD 共價(jià)連接的金屬-分子-金屬結(jié)中的光電驅(qū)動(dòng)分子構(gòu)象轉(zhuǎn)換進(jìn)行了表征?；赥M-TPD 的非 π 共軛分子“線”將隧道顯微鏡的鍍金針尖與金襯底電連接。

此前的研究結(jié)果表明，TM-TPD分子結(jié)可以使用偏置電壓打開和關(guān)閉分子的拉曼活性。在該項(xiàng)研究中，深入討論了入射光場(chǎng)偏振及電磁近場(chǎng)對(duì)稱特性的影響，并進(jìn)一步證明了可以使用入射光場(chǎng)來控制單分子開關(guān)。分子結(jié)處拉曼響應(yīng)的這種變化與分子構(gòu)象的改變有關(guān)。通過改變光場(chǎng)入射方向和施加到分子結(jié)的電壓，可以打開和關(guān)閉分子結(jié)的拉曼響應(yīng)，兩種狀態(tài)之間的拉曼強(qiáng)度相差近五個(gè)數(shù)量級(jí)。

該成果以 Effect of near-field optical angular momentum on molecular junctions 為題發(fā)表在 Light: Advanced Manufacturing。

圖1：光電驅(qū)動(dòng)單分子拉曼開關(guān)示意圖

圖2：?jiǎn)畏肿娱_關(guān)在不同入射光場(chǎng)和偏置電壓條件下的拉曼響應(yīng)

研究結(jié)果表明，分子結(jié)的構(gòu)象不僅可以通過施加在單分子結(jié)上的電壓來控制，還可以通過近場(chǎng)中的光學(xué)角動(dòng)量來控制，而近場(chǎng)中的光學(xué)角動(dòng)量可以通過分子結(jié)中的等離子體激元間隙模式來增強(qiáng)。高偏壓會(huì)導(dǎo)致分子結(jié)的電子密度重排，從而激活拉曼模式。這種拉曼模式通過 TM-TPD 分子的平坦化和增加的 π 共軛性得到增強(qiáng)。當(dāng)電磁場(chǎng)分布不對(duì)稱時(shí)，光場(chǎng)的角動(dòng)量會(huì)產(chǎn)生 z 軸扭矩。這使得TM-TPD分子構(gòu)象的改變成為可能，破壞了傳輸電子密度重排，最終抑制拉曼模式。通過實(shí)驗(yàn)研究確定了光學(xué)角動(dòng)量可以作為分子開關(guān)的驅(qū)動(dòng)條件。更準(zhǔn)確地說，發(fā)現(xiàn)了近場(chǎng)角動(dòng)量激發(fā)與光學(xué)系統(tǒng)對(duì)稱性之間的密切聯(lián)系。

該項(xiàng)研究為單分子邏輯門和近場(chǎng)光學(xué)角動(dòng)量的研究開辟了新途徑。研究中以MJS平臺(tái)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)在單分子分辨率研究物理化學(xué)現(xiàn)象的方法，是新一代納米力學(xué)研究的出發(fā)點(diǎn)。從技術(shù)上講，這些研究證明了對(duì)單分子出色的表征和調(diào)控能力，為多邏輯單分子計(jì)算開辟了新途徑。

前景展望

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等相關(guān)技術(shù)的大范圍應(yīng)用對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及電子運(yùn)算技術(shù)提出了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的計(jì)算架構(gòu)是基于運(yùn)算和存儲(chǔ)單元分離的馮·諾依曼架構(gòu)，在面對(duì)大數(shù)據(jù)處理的情況下，運(yùn)算與存儲(chǔ)單元的分離會(huì)造成“內(nèi)存墻”問題。

而基于非馮·諾依曼架構(gòu)的“存算一體”技術(shù)，通過將運(yùn)算與存儲(chǔ)單元整合為單一器件，為滿足人工智能等依賴大數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用提供了一條極為重要的技術(shù)路徑。當(dāng)然，這要求存算一體器件需具有極致的高集成度和低功耗。

單分子器件由于其納米量級(jí)的空間極限尺寸，毫無疑問會(huì)成為存算一體器件有力的候選者之一。而要將單分子器件正式應(yīng)用于納米計(jì)算技術(shù)，還有很長(zhǎng)的路要走。這需要大量的研究者共同努力，不斷克服分子電子學(xué)領(lǐng)域中的種種難題。相信，在未來的某日，人們終將突破現(xiàn)有運(yùn)算能力的瓶頸，實(shí)現(xiàn)人類文明的跨越式發(fā)展。

總結(jié)

雙光子光刻技術(shù)能夠精確制備三維結(jié)構(gòu)，并將其精準(zhǔn)集成在光電芯片上，能夠在光纖-芯片以及芯片-芯片之間，構(gòu)建大帶寬、低損耗的光信號(hào)鏈路，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的高效互連，降低封裝過程的對(duì)準(zhǔn)精度，給光學(xué)芯片的封裝過程帶來了全新的機(jī)遇。

隨著技術(shù)的迭代演進(jìn)和行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，我們預(yù)期基于雙光子光刻的光電芯片封裝架構(gòu)，將會(huì)得到大規(guī)模應(yīng)用，解決光電芯片的封裝難題。

論文信息

Jianchen Zi, Micha?l Lobet, Luc Henrard, Zhiqiang Li, Chenhui Wang, Xiaohong Wu, Hai Bi. Effect of near-field optical angular momentum on molecular junctions[J]. Light: Advanced Manufacturing 4, 34(2023). doi: 10.37188/lam.2023.034

https://doi.org/10.37188/lam.2023.034

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