微觀世界的單分子電子學發展大邁進—臺灣研究團隊提出嶄新電極架構獲登國際頂尖期刊《自然-材料科學》(Nature Materials)

背景與關鍵問題

電子用品已融入人們的生活日常，其中不乏以化學分子為關鍵材料的軟性電子元件，這些分子元件與矽材為主的半導體積體電路相輔相成，使電器性能更加完善，也更能滿足使用需求。這些進展得力於尖端技術與新穎材料開發，其核心動能則源自於對基礎學理的深刻體會。以化學分子為關鍵材料的優勢，在於分子性質與其結構的可預測性，以及已臻成熟的當代化學合成能力。合成並純化後的每條分子，相當於電子元件的基本組裝單元。窮究分子性質與電性表現的極致，便成了單一分子電器元件。經歷四十餘年，如今學界已可以獲得單分子的電阻值，但也確認了測得的數值包含顯著的界面電阻，亦即分子與電極的交互作用，在單分子電子學扮演著關鍵的角色。這個領域多採用單一元素的電極材質，例如純金或純鉑之類的化學性質穩定的貴重金屬；分子與混合金屬的電極之界面作用對單分子電性的影響，則屬於未曾思考過的問題。

研究突破與特色

在科技部卓越領航、特約研究計畫以及教育部高教深耕計畫的支持下，國立臺灣大學化學系陳俊顯教授團隊 - 包含古孟文、彭晧兩位博士生，以及國立臺東大學應用科學系陳以文教授團隊，在單分子電子學領域提出雙金屬電極(bimetallic electrodes)的嶄新元件架構。在金電極表面修飾單一原子層厚度的銀或銅，使電極表面與分子的作用力增加30%~80%，並為電極塑造出新的電子結構，單分子導電值提升為金電極的40~60倍，研究成果已發表在自然科學頂尖期刊《自然材料》（Nature Materials）。

單一分子可以在兩個電極之間輔助或左右電子的傳輸模式，成為單分子電器，這個瘋狂、創意十足的理論假說，在1974年由瑞特納教授提出(Ratner，目前任教於西北大學)。為了驗證這個假說，必須建構單分子電性量測平台，此平台需配合分子層級的奈米尺度，不難想像這類實驗的高挑戰性。本實驗特色是以低電位沈積法製作單一原子層的銀或銅，並以不破壞該修飾層的虛擬實境之原子力顯微術量測單分子導電值。所建立的理論模型，幫助微觀世界的單分子電子學發展，再向前邁進一大步。

價值與潛力

對於單分子元件中，電極與分子的作用強度和輔助電子傳輸的能力，研究團隊證實雙元素的電極設計是項有效的策略。此成果為單分子電子學開創新的研究途徑，未來可擴展至其他組合的雙金屬電極，並因電極材料的變化，而增加電極-分子種類的配對，讓元件的設計更為多元。實務上，功能性分子與材料表面的作用在許多應用扮演關鍵的角色，本研究在表面科學與技術的進展，可作為詮釋或創新界面現象與應用的基礎。

結語：科技部長期支持基礎研究

科技部長期支持分子層次的基礎研究，並以共用資源方式建立基礎研究核心設施，提升研究的學術水準。由於量測儀器與技術的進步及便利性，使得奈米尺度的量子效應與機制得以精確的檢測與呈現。單分子電子學是量子與奈米科技的未充分開發的領域，本研究後續帶動相關的發展值得期待。