2026年8月3日——分子是可用于制造下一代器件的最小构筑单元之一。它们独特且可定制的特性使其在新兴计算、传感、光学和量子技术领域具有广阔的应用前景。

但要将分子大规模集成到功能性器件中仍是一项挑战。传统的半导体制造工艺可能会损伤脆弱而微小的分子材料。如今，麻省理工学院（MIT）的研究人员开发出一种可扩展的制造技术，能够在不对分子材料造成损伤的情况下，将其集成到芯片上的电子器件中。

他们的方法扩展了标准半导体制造工艺的能力，使其能够兼容分子材料。研究人员首先使用传统工艺预制器件组件，然后引入分子，并利用纳米级表面力对已制成的器件进行机械转化，使其在不损伤分子的情况下自组装。

该团队利用亚纳米分子层制造了超过1000个器件，证明了该技术的稳健性和可扩展性。

麻省理工学院电气工程与计算机科学系（EECS）副教授、电子研究实验室（RLE）成员、描述该工作的新论文的资深作者Farnaz Niroui表示：“我们的平台结合了传统半导体制造的可扩展性与自组装的精确性和可控性。这为新兴纳米级和量子材料（包括分子）大规模、高通量地集成到功能性器件中建立了一个新的制造框架，这些器件的架构和功能是此前无法实现的。”

与她共同撰写该论文的还有共同第一作者、EECS研究生Sarah Spector和Peter Satterthwaite；麻省理工学院化学系A. Thomas Guertin讲席教授Jeremiah A. Johnson；以及麻省理工学院的其他研究人员。该研究今天发表在Nature Nanotechnology上。

用分子构建

分子是由原子组成的小团簇，其结构和化学特性可以被精确设计，从而可以在广泛的设计空间内对其性质进行工程化调控。

一旦集成到器件架构中，这些分子有望实现更小、更快、更灵活的新一代电子和计算平台，以及更高性能的光子器件和新兴量子技术。

要构建功能性系统，分子构筑单元需要与其他器件层集成。在电子系统中，一个关键步骤是通过将分子与金属表面接触来建立电连接。然而，传统芯片制造所需的苛刻化学条件和工艺会损伤这些脆弱的分子材料，降低可靠性和性能。

为了在利用标准制造工艺可扩展性的同时达到处理分子所需的精度，MIT研究人员开发了一种解耦的两步方法。

他们首先使用标准半导体制造工艺制作所有器件组件，然后在完成主要器件构建之后引入分子材料，以完成器件的最终构建。

“只有在制造完主要器件元件之后才将脆弱材料引入工艺中，这使我们能够使用通常与这些纳米材料不兼容的传统工艺，”Satterthwaite表示。

在他们的演示中，研究人员制造了一个支架结构，其中两个金属电极之间由精确尺寸的间隙隔开。然后，他们将分子层沉积在电极表面上。

最后，研究人员利用纳米级力将顶部电极轻轻拉向分子，以非破坏性的方式形成最终器件，从而与分子建立自对准、无损伤的电接触。

利用纳米级力

虽然重力是将世界维系在一起的主导物理力，但在纳米尺度上起主导作用的却是不同的力。其中一种被称为毛细力，它会使液体被吸入微小空间。（植物依靠毛细力将水分输送到茎中。）

通过精心设计电极的刚度，当含有分子的溶液蒸发时，毛细力会轻轻地将两个金属表面拉合在一起，将分子夹在中间。

一旦两个电极到位，研究人员必须使其保持稳定状态。为此，他们依赖于另一种被称为范德华力的纳米级力。

范德华力会使表面相互吸引。通过控制器件表面积和分子性质，研究人员确保这些力足够强，能够将电极保持在稳定的结构中，同时不损伤分子。

“纳米级力在我们的方法中起着关键作用。我们不是精确地制造最终想要的结构，而是先制造出具有机械可动性的结构，再利用力将其转化为一种用其他方式无法制造的架构，”Spector解释道。

他们利用这项技术制造了超过1000个器件，其分子层厚度不足1纳米。即使在这个微小的尺度下，所制造的芯片仍具有很高的良品率，平均96%的器件能够正常工作。这些稳健的器件还经受住了数万次电循环测试，没有出现任何退化迹象。

“稳定性确实非常突出。这是推动分子器件走向实际应用的关键特性，但也是该领域长期存在的一个挑战，”Satterthwaite表示。

研究人员表示，重要的是，这种多功能技术能够实现分子器件的电路级和系统级集成，推动该领域超越对孤立器件的研究。他们通过构建一个互连的分子存储器件阵列证明了这一点，该阵列可在下一代计算平台中得到应用。

他们的技术还可以扩展到其他材料和器件架构。

未来，研究人员希望在这一平台的基础上，研究和开发新型多功能计算与传感器件及系统。

“通过实现新兴分子材料和其他原子尺度物质向功能性器件的大规模无损伤集成，我们的平台加速了具有定制功能的新材料的发现与设计，并推动了它们在新兴技术中的应用，”Niroui补充道。