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摘要：日本的一研究小组成功地实现了被称为“卤素交联金属络合物”的一维半导体的两种异质结，并在宏观尺度和原子尺度上阐明了其结构。卤素交联金属络合物通过金属和卤素交替排列在一条直线上，产生被称为一维电子系统的电子路径，仅具有一个原子宽度。本项研究显示了“摩尔定律”的极限——实现原子大小半导体器件的可行性。

关键字：卤素交联金属络合物、半导体异质结、一维电子系统异质结、半导体器件、摩尔定律

要点

在原子水平上精确结合两种一维电子系统物质
在宏观/原子尺度上阐明了异质结结构
显示了“摩尔定律”的极限——实现原子大小半导体器件的可行性

笔记本电脑、智能手机等小型且高性能的电子设备让我们的生活变得更加便利。然而，世界上第一台计算机是一个占据一层办公室的巨型设备。之所以需要如此大的空间，是因为其使用了真空管。自1940年代发明了半导体器件后才改变了这种情况，使计算机开始走上小型化和高性能化的道路。“异质结”是具有不同特性的半导体相接触所形成的界面区域，其具有放大和开关的功能，因此可以实现显著的小型化。

根据“摩尔定律”，安装在集成电路上的半导体器件的数量逐年呈指数增长。摩尔定律具有微细化和图案化两个方面的内容，其中“微细化”表明半导体是一种物质，因此无法做到比原子还小，因而原子大小被认为是摩尔定律的极限之一。将半导体器件微细化到纳米级乃至原子级已成为应用研究和基础研究的热门话题。

本次，研究小组使用两种被称为卤素交联金属络合物的半导体物质制作了异质结。卤素交联金属络合物形成链状结构，其中金属离子和卤化物离子交替排列在一条直线上（图1）。

图1.卤素交联金属络合物[Ni(chxn)₂Br]Br₂(Ni络合物,1)和[Pd(chxn)₂Br]Br₂(Pd络合物,2)的结构。使用1R，2R-二氨基环己烷（chxn）作为配体。

“配体”结合在金属离子上，由此，结构稳定，通过制成利用氢键的片状结构和利用范德华力的层状结构来形成“单晶”。因此，异质结在物理上是三维结构，是可以用镊子夹住的大小。另一方面，由于层之间和链之间的相互作用十分弱，因此电子通道仅限于金属和卤素组成的链方向，在物理特性上可视为“一维电子系统”。这种物质也被称为伪一维电子系统物质。

使用镍作为金属的卤素交联金属络合物呈现出“莫特哈伯德（Mott-Hubbard）状态”，在该状态下，卤素离子的位置由于强电子相关性而位于镍之间的中点。另一方面，使用钯作为金属时，在一维电子系统中表现得特别强烈的派尔斯不稳定性强于电子相关性，因此呈现出卤化物离子的位置从中点偏移的“电荷密度波状态”。使用这两种卤素交联金属络合物，通过电化学进行“外延生长法”，成功地实现了接合。从显微照片可以清楚地确认异质结结构及其边界（图2）。

另外，使用扫描隧道显微镜在原子尺度上确认了异质结结构。在镍络合物区域，由于卤素交联金属络合物呈现出莫特哈伯德状态，因此镍三价电子受体位点以5埃（0.5纳米）的间隔显示为亮点；但在钯络合物区域，由于卤素交联金属络合物呈现出电荷密度波态(Pd(II)/Pd(IV))，因此钯四价电子受体位点以间隔10埃（1纳米）的间隔出现。此外，在异质结处，在大约2.5纳米的范围内观察到不同于莫特哈伯德状态和电荷密度波态的调制状态。这正是表明两种一维链在原子水平上接合的直接证据。

图2. Ni络合物（1）和Pd络合物（2）的异质结构的显微照片（左）；扫描隧道显微镜图像（中）。

右图表示扫描隧道显微镜图像中箭头位置的强度分布。区域1（上部）显示以5Å间隔的莫特哈伯德（MH）状态，区域2（中部）显示以10Å间隔的电荷密度波(Charge Density Wave,CDW)状态。在异质结区域（下部），在大约2.5nm范围内观察到不同于MH和CDW的调制状态。

本研究在世界上首次阐明了一维电子系统的宏观尺度和原子尺度的异质结，并实证了一维异质结的概念。近年来，纳米技术进步显著，半导体器件的电路宽度已缩小到几纳米。然而，几纳米的大小如果换算成原子个数的话，相当于几十个。如果能把半导体器件做成一个原子宽度的话，电子器件的性能将会有巨大的飞跃。占据建筑物一层的超级计算机可能会变成桌面大小。

由于目前的技术还无法制造出一个原子宽度的电路，因此无法调查一维异质结的特性。然而，卤素交联金属络合物可视作伪一维电子系统物质，研究小组目前正在研究该异质结的电学特性。卤素交联金属络合物的异质结被视为用于实现在一维电子系统中运行的极小半导体器件的良好模型。

实现一个原子宽度的半导体异质结！世界上首次成功制造出一维电子系统异质结