長春應(yīng)化所在納米尺度電子反常輸運研究上獲重要進(jìn)展

    微電子技術(shù)依然是當(dāng)今世界信息科學(xué)的主要支撐和核心技術(shù)，電子輸運行為與機(jī)制是其發(fā)展的基石。但集成電路發(fā)展到今天，受摩爾定律的嚴(yán)重制約，傳統(tǒng)電子學(xué)器件微縮可能即將面臨終結(jié)，新原理、新結(jié)構(gòu)或新材料的電子學(xué)器件必將登上后摩爾時代的歷史舞臺。分子/納米電子學(xué)由此應(yīng)運而生；但其工作原理主要基于經(jīng)典的電子隧穿理論,其有效電子傳輸距離短（~2-4nm）、極易發(fā)生器件短路, 因此短期內(nèi)存在發(fā)展瓶頸。由于量子力學(xué)機(jī)制的存在，納米級材料和器件中電子的形態(tài)及輸運行為常表現(xiàn)出非同尋常的特征；但由于理論的缺乏及實驗難度,人們迄今對其電子傳輸行為知之甚少,阻礙了納米電子學(xué)的應(yīng)用發(fā)展。近期發(fā)展起來的等離激元學(xué), 是一門新興前沿交叉學(xué)科；它能通過表面等離子體的激發(fā)將光轉(zhuǎn)化為可傳播的電信號,并能跨越鴻溝、在（亞）納米尺度上有效地將光子學(xué)與電子學(xué)融為一體，有望為未來電子學(xué)的發(fā)展和信息技術(shù)提供新的思路和革命性的解決方案。

    近期，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所金永東研究團(tuán)隊在等離激元納米電子學(xué)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。他們通過將幾納米厚的SiO₂殼絕緣的Au納米粒子組裝成二維自支撐納米膜，并將其橫跨在上百微米間距的電極之間構(gòu)成納米電子學(xué)器件，觀察到了一種非同尋常的二維平面電子傳輸行為（iScience,2018,8,213.）。最近，他們在此基礎(chǔ)上，設(shè)計構(gòu)建了基于單層至三層的Au@SiO₂納米薄膜的疊層三明治型金屬結(jié)，通過一系列嚴(yán)格對比實驗、進(jìn)一步深入揭示了等離激元介導(dǎo)的長程電子隧穿行為與機(jī)制。其電子隧穿距離長達(dá)29nm，是傳統(tǒng)電子隧穿理論（通常小于2nm）無法比擬的（~10⁷⁶倍的隧穿幾率增強(qiáng)），顛覆了我們對傳統(tǒng)電子隧穿行為的認(rèn)知。這一發(fā)現(xiàn)有望改變我們對納米尺度電子傳輸行為機(jī)制的認(rèn)知和重新理解，并有望推動新型等離激元納米電路的構(gòu)建與器件發(fā)展。相關(guān)原創(chuàng)成果以Unprecedented efficient electron transport across Au nanoparticles with up to 25-nm insulating SiO₂-shells為題發(fā)表在Sci. Rep.上（C. P. Li, C. Xu, D. Cahen, Y. D. Jin*, Sci. Rep., 2019, 9: 18336. DOI: 10.1038/s41598-019-54835-2.）

    上述研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)項目以及中科院項目的支持。

(電分析化學(xué)國家重點實驗室)

圖：二維Au@SiO₂納米薄膜平面隧穿結(jié)的制備流程及plasmonic電子隧穿機(jī)制示意圖