科學家提出制造原子級電路新方法

在半導體材料當中，石墨烯雖被寄予厚望，但尚未取代硅成為下一代半導體材料。問題不在于石墨烯本身，而在于思路：我們無法為材料賦予一種其天然不具備的特性，除非從零開始，一個原子一個原子地構建。

2004年，科學家成功從石墨中分離出僅有一層碳原子厚度的“最薄碳片”，此舉曾引發諸多期待，但這些期待至今尚未完全實現。石墨烯的導電性能優于任何已知的金屬，但在消費電子領域卻存在結構缺陷：它本質上并非半導體，假如強行使其表現出半導體特性，例如將其限制在狹窄的帶狀結構中或通過化學改性，那么所產生的結果往往是不穩定的，且難以在規模化生產中復現。其性能過度依賴于每個樣品的精確尺寸、形狀以及邊緣狀態。

另一方面，硅材料數十年來已逐漸逼近其物理極限。當晶體管尺寸僅為幾納米時，電子開始遵循量子規則，傳統的電路設計便難以奏效。工程師早已意識到，硅的微縮之路存在天花板，我們需要的并非更小的材料，而是一種從內部設計而成的材料。因為根本問題不在于如何讓硅變得更小，而在于能否從第一個原子開始就將電學功能融入材料之中。

英國伯明翰大學喬瓦尼·康斯坦丁尼教授研究組的詹姆斯·勞倫斯與奧地利維也納大學的達維德·博尼法齊博士，以及一個國際合作團隊于2026年4月23日在《自然-通訊》上發表了一項顛覆傳統電子設計邏輯的方法：不再是先制造材料再對其進行表征，而是在線性鏈形成之前就對其電學行為進行編程。

在了解其工作原理之前，需要注意的是：合成過程發生在超高真空腔室中，位于超平滑的黃金表面上，其條件與任何生產線都相去甚遠。向柔性基底和普通環境的過渡是下一個尚未解決的障礙。但該研究確立的概念驗證為這一進程指明了方向。

研究團隊設計了兩種專用分子：一種是電子供體，二氧雜蒽嵌蒽（peri-xanthenoxanthene）；另一種是電子受體，蒽酮（antantrone）。研究人員將它們沉積在黃金表面并進行受控加熱后，兩側的溴原子會解離，分子相互連接形成線性鏈，即納米帶。線性鏈中供體與受體單元的排列順序以可預測的方式決定了整體的電學性質：電學功能并非在事后誘導或調整，而是在材料成形之前就已寫入其結構之中。

利用儀器揭示的結果與常規表征技術相比有著天壤之別。為了驗證線性鏈的結構，研究團隊采用了三種互補技術：掃描隧道顯微鏡（STM）、非接觸式原子力顯微鏡（NC-AFM）和掃描隧道譜（STS）。這些技術相結合能夠解析納米帶內的單個化學鍵，檢測彎曲和分子 defects 等結構異常，并測量電荷在整個線性鏈上的分布情況。這并非整體圖像，而是每個鍵的“X光片”。

結果證實了一個清晰的規律：僅由供體單元組成的線性鏈在生長過程中，其提供電子的能力會增強；而純受體鏈則呈現相反的趨勢；在供體-受體混合序列中，電學行為成為單元精確排列順序的復雜函數。為解讀這種復雜性，研究團隊開發了一個簡化的理論模型，該模型將序列與功能相關聯，這一框架使得在合成結構之前就能預測其行為。

該團隊提出的應用范圍十分廣泛。近期最可能實現的是柔性有機電子器件：這些組件可直接打印或編織到智能服裝中，將傳感器或導電元件集成到紡織品中，同時不改變其手感或形狀。這些結構的超微尺寸也使其成為物聯網設備的天然候選者，在該領域，空間和能耗是決定性因素。

在更具前瞻性的領域，構建具有特定序列的線性鏈，為在單分子尺度上操縱量子態提供了可能性，這在量子計算或利用量子力學現象的高靈敏度傳感器方面具有應用前景。

該團隊的成就并非制造出電子器件，而是更基礎、因而更具意義的突破：證明功能可以在材料成形之前就編碼在序列中。過去需要先制造再進行表征的工作，現在可以通過化學手段進行計算和設計。

（來源：參考消息 版權屬原作者 謹致謝意）