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更新日期:110年3月31日

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。

  • 圖1

    原子力顯微術測量雙金屬電極間的單分子導電值之示意圖(Molecular conductance improved by bimetallic electrodes and measured by tactile-feedback AFM)

  • 圖2

    以雙金屬電極增強單分子導電值的機制模型(Proposed model for improved molecular conductance by narrow surface d bands)

當期焦點

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