普渡大学(Purdue University)的工程师们已经编写了 一套纳米技术仿真模拟软件用以揭示电流如何在硅原子和单个分子之间流动的机理。根据普渡大学电子与计算机工程学院助理研究员博士后Geng-Chiau Liang的介绍，这套工具将帮助研究者设计应用于未来计算机以及先进传感器的“分子器件”。
“我相信我们是第一个利用研发工具揭示在原子量级上电流如何在分子和硅之间流动从而提出理论的。” Liang 的同事、普渡大学电子与计算机工程学院的科学家Avik Ghosh说。
整个研究的目标是利用蛋白质和DNA等的分子制造传感器以及其它类似器件，即所谓的“生物芯片”来取代传统的电子元件，比方说，可以使用蛋白质的传感器来侦测空气和水中的污染物，以及分析血液和生物样品。
“这个概念是由于分子可以成为硅的扩展，并实现设计功能，”Ghosh说，“传统上对分子器件的研究全部是在利用金属将分子连接起来的结构上进行的，但考虑到计算机工业是建立在半导体也就是硅的基础上的，因此我们的研究方向是分子与硅的连接方式而并非金属。”
Liang和Ghosh利用仿真工具揭示电流如何在硅原子和所谓的富勒碳或者富勒烯，也被称为巴基球的分子之间流动。巴基球分子是包含60个碳原子的足球型分子结构，巴基球的宽度~1纳米，大约是10个原子的宽度。
“这篇论文可以作为一个证据，说明了是如何基于实际的实验证实我们的理论以及定性的解释实验结果，” Liang说，“ 我们已经揭示了当改变巴基球分子和硅原子之间的价键连接类型时，电流的传导如何相应的发生改变。”
研究者们使用计算机模型预测了当巴基球分子和硅原子之间以三种不同的模式连接的情况下电流的流动机理。第一种模式：巴基球分子和硅原子之间没有任何化学键进行连接，巴基球分子仅仅是简单的置于硅原子的顶部;第二种模式：依靠硅的煺火工艺，巴基球分子和硅原子紧密的连接在一起;第三种模式：巴基球分子被放置在硅的本征存在的细小的凹陷缺陷内。
模型精确的模拟出这三种连接状态下电导和电压的变化趋势，模拟的结果与其他研究人员在实验室通过实际实验获得的数据非常吻合。
“因为我们模拟预测的结果和实验数据十分吻合，所以我们知道结果是准确的，”Ghosh说，“这意味着你可以使用仿真模拟给予将要进行的实验理论上的指导，而不必像以往那样依靠反复的试验进行验证。”
在电子与计算机工程学院著名的教授Supriyo Datta和他的学生的帮助下， Liang和Ghosh在计算机上实现了作为模型基础的数学理论。研究者们使用一台普渡大学的超级计算机进行对模拟仿真软件的研发和测试。工程师们在模拟中使用巴基球分子的原因是由于科学界已经完全掌握了巴基球分子的构造，并且数据是现成可用的。当然不仅仅是基于巴基球分子，这套仿真模拟软件可以模拟使用任何分子与硅相连情况下的电导情况。
“研究者们想知道如果能够使用其它分子取代巴基球分子与硅相连，那么哪种分子将能够使我们获得需求的电导特性，”Liang说，“我们现在所做的将可以定量的原理性的解释实验结果，对于任何技术而言毫无疑问这是非常重要的。为了能够实现它，你必须建立在原子级别上对电流的传导加以理解，简而言之就是原子级别的电流传导是如何进行的。”
研究工作仍然需要进一步的深入，而且现在此项目已经得到了由普渡大学电子与计算机工程学院著名教授 Mark Lundstrom领导的由自然科学基金会赞助的纳米技术网络和一些半导体研究机构的大力支持，包括由美国军方研究办公室支持的国防大学纳米技术研究所，以及国防先进技术研究事务局等。
来源:半导体国际 作者:Peter Singer, Semiconductor International主编 时间:2006/2/10 0:00:00
