参考消息网5月6日报道 据西班牙《趣味》月刊网站4月23日报道，虽被寄予厚望，但石墨烯尚未取代硅成为下一代半导体材料。问题不在于石墨烯本身，而在于思路：无法赋予材料一种它天生不具备的特性。除非从零开始，一个原子一个原子地构建。
2004年，科学家成功从石墨中分离出仅有一层碳原子厚度的“最薄碳片”，此举曾引发诸多期待，但这些期待至今尚未完全实现。石墨烯的导电性能优于任何已知的金属，但在消费电子领域却存在结构缺陷：它本质上并非半导体，假如强行使其表现出半导体特性，例如将其限制在狭窄的带状结构中或通过化学改性，那么所产生的结果往往是不稳定的，且难以在规模化生产中复现。其性能过度依赖于每个样品的精确尺寸、形状以及边缘状态。
另一方面，硅材料数十年来已逐渐逼近其物理极限。当晶体管尺寸仅为几纳米时，电子开始遵循量子规则，传统的电路设计便难以奏效。工程师早已意识到，硅的微缩之路存在天花板，我们需要的并非更小的材料，而是一种从内部设计而成的材料。因为根本问题不在于如何让硅变得更小，而在于能否从第一个原子开始就将电学功能融入材料之中。
英国伯明翰大学乔瓦尼·康斯坦丁尼教授研究组的詹姆斯·劳伦斯与奥地利维也纳大学的达维德·博尼法齐博士，以及一个国际合作团队4月23日在英国《自然-通讯》上发表了一项颠覆传统电子设计逻辑的方法：不再是先制造材料再对其进行表征，而是在线性链形成之前就对其电学行为进行编程。
在了解其工作原理之前，需要注意的是：合成过程发生在超高真空腔室中，位于超平滑的黄金表面上，其条件与任何生产线都相去甚远。向柔性基底和普通环境的过渡是下一个尚未解决的障碍。但该研究确立的概念验证为这一进程指明了方向。
研究团队设计了两种专用分子：一种是电子供体，二氧杂蒽嵌蒽(peri-xanthenoxanthene)；另一种是电子受体，蒽酮(antantrone)。研究人员将它们沉积在黄金表面并进行受控加热后，两侧的溴原子会解离，分子相互连接形成线性链，即纳米带。线性链中供体与受体单元的排列顺序以可预测的方式决定了整体的电学性质：电学功能并非在事后诱导或调整，而是在材料成形之前就已写入其结构之中。
利用仪器揭示的结果与常规表征技术相比有着天壤之别。为了验证线性链的结构，研究团队采用了三种互补技术：扫描隧道显微镜(STM)、非接触式原子力显微镜(NC-AFM)和扫描隧道谱(STS)。这些技术相结合能够解析纳米带内的单个化学键，检测弯曲和分子 defects 等结构异常，并测量电荷在整个线性链上的分布情况。这并非整体图像，而是每个键的“X光片”。
结果证实了一个清晰的规律：仅由供体单元组成的线性链在生长过程中，其提供电子的能力会增强；而纯受体链则呈现相反的趋势；在供体-受体混合序列中，电学行为成为单元精确排列顺序的复杂函数。为解读这种复杂性，研究团队开发了一个简化的理论模型，该模型将序列与功能相关联，这一框架使得在合成结构之前就能预测其行为。
该团队提出的应用范围十分广泛。近期最可能实现的是柔性有机电子器件：这些组件可直接打印或编织到智能服装中，将传感器或导电元件集成到纺织品中，同时不改变其手感或形状。这些结构的超微尺寸也使其成为物联网设备的天然候选者，在该领域，空间和能耗是决定性因素。
在更具前瞻性的领域，构建具有特定序列的线性链，为在单分子尺度上操纵量子态提供了可能性，这在量子计算或利用量子力学现象的高灵敏度传感器方面具有应用前景。
该团队的成就并非制造出电子器件，而是更基础、因而更具意义的突破：证明功能可以在材料成形之前就编码在序列中。过去需要先制造再进行表征的工作，现在可以通过化学手段进行计算和设计。（编译/刘丽菲）
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