NUS科學家已經開發(fā)了一種方法，用于在分子度尺度上用電驅動源定向激發(fā)等離子激元。利用光子裝置傳輸信息的速度比納米電子系統(tǒng)快得多，然而，裝置尺寸往往要大得多，難以與納米電子系統(tǒng)集成。等離子體學涉及研究光與帶電粒子（如金屬中的電子）之間的相互作用，有可能彌合納米電子學和光子學之間的差距。

一個重要的方面是：具有可以直接將電信號轉換為等離子體的激振源，以克服小納米電子器件和大光子元件之間的尺寸不匹配，這種“失配”受到大尺寸光子的限制。

等離子激元可以被視為受限光，比光子小100倍，具有與納米電子學兼容的尺寸，還有希望能夠控制等離子激元的激發(fā)方向，以便引導匹配更多組件，以減少對光學元件的需要。由NUS化學系Christian A.Nijhuis教授領導的研究團隊，與來自科學、技術和研究機構（IMRE）材料研究和工程研究所的Nikodem Tomczak博士合作研究發(fā)現，分子（雙勢壘）結中表面等離子體激元(SPP)的激發(fā)方向，可以通過調節(jié)分子對電極表面的傾斜角來控制。這些SPP是像光子元件一樣起作用的光波，以高速攜帶信息。

研究人員能夠在不使用大型光學元件的情況下，沿隧道方向激發(fā)等離子激元，這可能會在器件的設計和制造中造成復雜的情況。雙勢壘分子結由單層分子組成，由兩個部分組成，一個高導電單元和一個絕緣部分。分子被夾在兩個金屬電極之間。通過改變絕緣段的長度，可以精確地控制電子沿著其有效隧穿的導電段傾斜角。與傳統(tǒng)金屬氧化物隧道勢壘不同，這些分子雙勢壘結中的隧穿方向可以精確控制。而且這些結果很有趣，因為等離子體激元源不受衍射限制，證明了在分子長度范圍內等離子體激元的操縱。

而不需要使用大型光學元件，如天線或外部光源。這些結果為隧道結中的光和物質相互作用提供了新見解，并且是將隧道結與等離子體波導集成的重要下一步。電學技術對表面等離子體激元(SPPs)的定向激發(fā)，對于等離子體與分子電子學的集成或對其他元件的引導信號非常重要。研究基于量子力學隧穿分子雙勢壘結的電驅動等離子體激元，其中隧穿路徑是由分子的化學結構，以及相對于表面法線的傾斜角而定義。S(CH2)nBPh在Au上的自組裝單分子膜，其中烷基鏈和BPH單元串聯定義了兩個不同的隧道勢壘，用于演示和控制幾何效應。

BPH單元相對于曲面法線的傾斜角度取決于n的值，當n為偶數時為45°，n為奇數時為23°。烷基鏈的傾斜角固定在30°，與n無關。對于n=1-3的值，通過BPH單元定向隧道定向發(fā)射SPP。對于n>3的值，沿烷基鏈的隧穿作用主導了SPP激發(fā)。在不需要額外的片上光學元件(例如天線)或外部元件(例如光源)情況下實現定向發(fā)射SPP的分子水平控制。利用分子隧道結，該研究首次提供了分子雙勢壘隧道結的直接實驗演示。

博科園｜研究/來自：新加坡國立大學

參考期刊《納米快報》

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01665

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