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后摩爾時代

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飛速發(fā)展的趨勢。具體來說，半導體芯片中可容納的晶體管數(shù)量每18個月到24個月就會增加一倍，這一趨勢深刻影響著人類世界文明的發(fā)展進程。

近幾十年來，我們?nèi)粘Ｊ褂玫挠嬎銠C、手機等電子設備的運算能力得到了極大的提升，同時運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，摩爾定律所預示的半導體芯片小型化趨勢因受到物理極限的限制而逐漸放緩了腳步，世界進入后摩爾時代。目前，如臺積電等世界頂尖的半導體芯片制造廠商，已將半導體芯片的制程推進到了3 ~ 5 nm節(jié)點。這意味晶體管的尺寸正在逐漸接近單分子或無機團簇的領域。

早在20世紀50年代，為了設計構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現(xiàn)電子器件的想法。最初提出分子電子學（Molecular Electronics）這一概念的是美國空軍航空研究與發(fā)展指揮部C. H. Lewis上校。1974年，IBM的Ari Aviram與其導師Mark Ratner教授共同提出利用非對稱給受體分子構建單分子二極管的設想（Chem. Phys. Lett. 1974, 29, 277），這通常被認為是分子電子學領域的開端。

然而，時光荏苒，分子電子學領域的發(fā)展一直舉步維艱，直到1997年，才有了第一次受到大眾認可的實驗結果（Science 1997, 278, 252）。之所以分子電子學這個領域的發(fā)展如此艱難，是因為其具有化工、材料、電子、化學、物理等學科高度交叉的特點，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構才能從事該領域的研究。

雖然目前的半導體芯片制程工藝已達到分子電子學的領域，但是分子電子學在基礎理論研究方面仍然還存在許多不足之處，不足以支撐其實際應用，有待更多的研究者進一步探索與發(fā)展分子電子學領域。

單分子邏輯門

理解和控制單分子開關是分子邏輯運算和納米級計算進一步發(fā)展的基礎。

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

實際上，除了施加的電壓之外，光場也可以影響分子的狀態(tài)，并互補地表征分子狀態(tài)。光場與分子結的相互作用是分子開關技術發(fā)展的關鍵補充因素。然而，大多數(shù)傳統(tǒng)光譜方法都受到衍射極限的限制，難以實現(xiàn)納米級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增強技術可以突破衍射極限，為超分辨顯微光譜技術提供出色的解決方案。這種近場增強技術為納米空間區(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、處理和測量技術。

近期，由佛山季華實驗室畢海研究員領導的研究團隊及其合作者提出了一種單分子拉曼開關，該開關不僅可以由施加的電壓控制，也可以通過入射光場的方向來控制。

在該項研究中，研究了近場光學角動量和偏置電壓對單分子結（單分子開關）拉曼響應的綜合影響。使用自制的分子結光譜（MJS）平臺，對 TM-TPD 共價連接的金屬-分子-金屬結中的光電驅(qū)動分子構象轉(zhuǎn)換進行了表征。基于TM-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。

此前的研究結果表明，TM-TPD分子結可以使用偏置電壓打開和關閉分子的拉曼活性。在該項研究中，深入討論了入射光場偏振及電磁近場對稱特性的影響，并進一步證明了可以使用入射光場來控制單分子開關。分子結處拉曼響應的這種變化與分子構象的改變有關。通過改變光場入射方向和施加到分子結的電壓，可以打開和關閉分子結的拉曼響應，兩種狀態(tài)之間的拉曼強度相差近五個數(shù)量級。

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)動單分子拉曼開關示意圖

圖2：單分子開關在不同入射光場和偏置電壓條件下的拉曼響應

研究結果表明，分子結的構象不僅可以通過施加在單分子結上的電壓來控制，還可以通過近場中的光學角動量來控制，而近場中的光學角動量可以通過分子結中的等離子體激元間隙模式來增強。高偏壓會導致分子結的電子密度重排，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。當電磁場分布不對稱時，光場的角動量會產(chǎn)生 z 軸扭矩。這使得TM-TPD分子構象的改變成為可能，破壞了傳輸電子密度重排，最終抑制拉曼模式。通過實驗研究確定了光學角動量可以作為分子開關的驅(qū)動條件。更準確地說，發(fā)現(xiàn)了近場角動量激發(fā)與光學系統(tǒng)對稱性之間的密切聯(lián)系。

該項研究為單分子邏輯門和近場光學角動量的研究開辟了新途徑。研究中以MJS平臺為基礎實現(xiàn)在單分子分辨率研究物理化學現(xiàn)象的方法，是新一代納米力學研究的出發(fā)點。從技術上講，這些研究證明了對單分子出色的表征和調(diào)控能力，為多邏輯單分子計算開辟了新途徑。

前景展望

隨著信息技術的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等相關技術的大范圍應用對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)存儲及電子運算技術提出了嚴苛的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的計算架構是基于運算和存儲單元分離的馮·諾依曼架構，在面對大數(shù)據(jù)處理的情況下，運算與存儲單元的分離會造成“內(nèi)存墻”問題。

而基于非馮·諾依曼架構的“存算一體”技術，通過將運算與存儲單元整合為單一器件，為滿足人工智能等依賴大數(shù)據(jù)處理的應用提供了一條極為重要的技術路徑。當然，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的空間極限尺寸，毫無疑問會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用于納米計算技術，還有很長的路要走。這需要大量的研究者共同努力，不斷克服分子電子學領域中的種種難題。相信，在未來的某日，人們終將突破現(xiàn)有運算能力的瓶頸，實現(xiàn)人類文明的跨越式發(fā)展。

總結

雙光子光刻技術能夠精確制備三維結構，并將其精準集成在光電芯片上，能夠在光纖-芯片以及芯片-芯片之間，構建大帶寬、低損耗的光信號鏈路，實現(xiàn)光信號的高效互連，降低封裝過程的對準精度，給光學芯片的封裝過程帶來了全新的機遇。

隨著技術的迭代演進和行業(yè)的進一步發(fā)展，我們預期基于雙光子光刻的光電芯片封裝架構，將會得到大規(guī)模應用，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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