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本文聚焦单分子晶体管（SMTs），综述了其电子传输机制。阐述了单分子电子学的进展、SMT 的基本原理及量子传输理论，探讨量子态控制和杂质现象，还介绍了 SMT 在多领域的应用机会与挑战，为相关研究提供了全面参考。
单分子晶体管研究进展
在电子学领域，单分子晶体管（SMTs）正成为极具潜力的研究热点。它作为量子受限系统，能将量子挑战转化为功能优势，为后摩尔定律时代的技术发展，如神经形态架构和单分子传感器等，提供关键支持。
单分子电子学的进步
单分子具备独特的轨道、电子结构和理化性质，这使其在构建分子尺度器件方面前景广阔。通过研究单分子的电子传输特性，不仅能模拟基础量子力学问题，还能推动化学和生物传感器等领域的发展。
在技术层面，扫描探针技术和纳米间隙器件制备技术的创新，为单分子电子学研究提供了有力支持。扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等技术，可实现对分子的纳米级电学表征和结构成像，还能整合多种性质分析，深入探究分子结构与性质的关系 。纳米间隙器件的制备方法不断发展，如机械控制断裂结（MCBJs）、电迁移等技术，能够制造出与目标分子尺度匹配的电极，用于研究分子的电导特性。不过，这些技术也面临着一些挑战，例如断裂结技术存在分子结寿命短和可扩展性差的问题，而晶体管类平台则存在结形成产率低、电导受多种因素影响等问题 。
SMT 的基本原理和量子传输理论
SMT 的常见结构是由一个分子连接两个电极，常添加控制电极形成三端结构。其工作原理基于库仑阻塞效应，通过调节栅极电压来改变分子的化学势，从而控制电子的传输 。与传统硅基场效应晶体管（FETs）不同，SMT 的传输调制机制源于量子行为。
在量子传输理论方面，SMT 中的量子传输受库仑相互作用和量子隧穿效应共同影响，分子 - 电极耦合强度对其有调制作用。在弱耦合 regime，库仑阻塞占主导，限制电子传输为离散的充电事件；强耦合时，量子相干过程如共隧穿和 Kondo 共振形成被激活 。分子量子点的充电能量与尺寸相关，会影响电子传输特性。此外，静电控制通过电容耦合实现，SET 操作需要满足特定条件，以确保量子化的电子传输 。线性响应电导能揭示热展宽的库仑峰，有限偏压下的电流 - 电压曲线则展示了库仑阻塞和能级对齐时的阶跃式传导现象 。
量子态控制和协同动力学
在单分子结的单能级传输中，通过差分电导光谱可解析离散的分子能级。分子的多电荷态会产生库仑钻石形区域，反映稳定的电子占据情况。激发态传输会引入卫星电导峰，自旋简并系统的多占据态则会改变传输统计特性 。然而，传统的恒定相互作用模型在分析 SMT 时存在一定的局限性，它忽略了多体效应，且分子构象变化会导致理论预测与实际情况存在偏差。
随着分子 - 电极耦合强度的变化，量子传输会在不同 regime 之间转变。在弱耦合时，顺序单电子隧穿（SET）主导，产生清晰的库仑阻塞钻石形电导图；耦合增强时，高阶共隧穿（COT）过程使电流能在经典禁止的偏压范围内流动 。弹性 COT 涉及两个电子通过虚拟中间态的同时隧穿，不改变分子能量；非弹性 COT 则会激发分子的自由度，产生有限偏压下的水平电导线，可用于光谱分析分子内部能量 。此外，声子辅助隧穿在机械柔顺系统中发挥作用，能有效补偿库仑阻塞能量赤字 。但分子结中的量子相干性面临诸多挑战，如电子 - 电子相互作用、电子 - 声子耦合和环境噪声等会导致相位随机化 。利用太赫兹（THz）场可操纵相干时间尺度，克服这些限制，为量子器件的发展开辟新途径。
量子杂质现象在 SMT 电子传输中的体现
在 SMT 中，自旋激发与电子传输的相互作用为研究量子传输机制提供了关键线索。具有非零自旋态的磁性分子，其激发特征会直接影响电荷传输特性。通过单电子晶体管 regime 中的激发态共振和库仑阻塞区域内的非弹性 COT 光谱这两种实验方法，可深入研究自旋相关现象 。例如，在 SET 配置中，自旋激发表现为与基态跃迁相邻的平行电导共振，遵循特定的选择规则，会产生自旋阻塞效应，这对自旋量子比特的读出应用至关重要；COT 光谱则通过电导峰提供了互补信息，但在高自旋分子中，其光谱特征较为复杂，需要进行先进的关联分析 。
分子磁各向异性也对 SMT 的传输特性产生重要影响。各向同性高自旋分子在磁场作用下，磁态会发生分裂；而各向异性分子则存在零场分裂，形成自旋相关的能量屏障，调制传输路径 。在单分子磁体（SMMs）中，这种各向异性与传输的相互作用更为显著，会导致磁滞回线出现台阶状磁化曲线，反映出自旋态的转变 。
Kondo 效应是弹性 COT 系统中的重要量子多体现象。在 SMT 中，当分子具有奇数电子占据时，会产生局部磁矩，传导电子与局部自旋之间的反铁磁交换相互作用会形成自旋单重态，产生零偏压电导共振，这是 Kondo 效应的典型特征 。Kondo 温度（TK）是 Kondo 效应的关键参数，它反映了传导电子与局部自旋之间的结合能，可通过温度依赖的电导测量来确定 。外部磁场会使 Kondo 共振发生塞曼分裂，在高自旋或多通道配置的 SMT 中，Kondo 筛选的情况会更为复杂，会出现不同的物理现象，如欠筛选 regime 中的残余磁性和过筛选 regime 中的非费米液体特性等 。这些特性使得 SMT 成为研究量子临界现象的理想平台，通过调节可实现不同量子态之间的转变，探索量子相边界附近的物理特性 。
量子临界现象在电子传输中的研究
量子临界现象与 Kondo 物理的相互作用是理解 SMT 中电子传输异常的核心。量子相转变在 SMT 中与经典热转变不同，它由量子涨落驱动，可通过静电栅极调节 。在分子结中，通过测量有限温度下的缩放行为，可观察到量子临界区域的存在，相关长度的发散遵循普遍的电导缩放定律，反映出量子临界性对传统费米液体行为的偏离 。
在门控可调的 Kondo 效应中，过渡金属配合物中的局部 d 电子自旋与传导电子相互作用，形成多体单重态，产生 Kondo 共振 。但在临界耦合强度附近，量子涨落会破坏这种共振，导致出现非费米液体传输特征，为研究量子临界区域提供了实验途径 。通过分子轨道工程和静电栅极调节，可系统地研究量子临界涨落的出现 。
在多通道 Kondo 效应方面，分子结中多通道 Kondo 效应的实现扩展了对量子杂质现象的理解。与单通道 Kondo 筛选产生的传统费米液体传输不同，多通道系统可通过控制通道干涉效应进入非费米液体状态 。例如，在双量子点配置中，会出现两级 Kondo 筛选过程，表现为双电导峰，其温度演化遵循特定的缩放规律 。一些分子系统，如金属酞菁分子和二茂金属基 SMT，通过调节自旋状态和电极耦合不对称性，可实现对多通道 Kondo 效应的研究，探索量子临界物质的特性 。这些研究成果为理解非费米液体物理提供了重要依据，也展示了分子系统在研究量子临界现象方面的独特优势 。
SMT 器件的机遇与挑战
SMT 可利用量子干涉（QI）效应来调控电子传输路径，实现高性能的开关功能。通过电化学调节分子电荷状态或轨道对齐，可改变 QI 的建设性或破坏性干涉，从而调节电导 。例如，蒽醌基 SMT 在氧化还原循环中，由于 π 共轭途径的改变，电导可实现 10 倍的切换；间苯衍生物通过电化学门控，能产生尖锐的反共振谷，实现超过 100 倍的电导调制 。近期，石墨烯耦合的 SMT 实现了创纪录的开关比和低亚阈值斜率，展示了其在超低功耗逻辑电路中的应用潜力 。
在分子自旋电子学中，SMT 能够实现对自旋转变的精确电场控制。例如，在 Mn2+- 三联吡啶配合物中，栅极电压可通过调节配体场强度，诱导高自旋（S = 5/2）到低自旋（S = 1/2）的转变，直接改变自旋分辨的传输通道 。OPE - 5 基分子晶体管通过门控调节多自由基构型，实现了氧化还原态可调的铁磁 / 反铁磁交换耦合，进而实现自旋过滤的共隧穿传输 。Ni - C60 - Ni 结则展示了高达 80% 的门控可调负隧穿磁电阻，这些成果推动了室温分子自旋电子器件的发展 。
SMT 还可通过结合纳米级的热梯度和轨道对齐，实现门控可调的热电增强。在 Au - C60 - Au 结中，通过优化分子前线轨道与费米能级的接近程度，可最大化能量转换效率 。石墨烯 - C60 SMT 通过门控工程实现了接近 Breit - Wigner 极限的热电性能，有效提高了 Seebeck 系数和功率因子 ，展现了 SMT 在纳米级热电能量收集中的潜力。
混合 SMT 集成超导电极后，揭示了一系列新奇的量子现象。如铝 - C60 - 铝 SMT 中，观察到了库仑阻塞、Kondo 筛选和超导性的门控可调共存，以及 Shiba 态的出现，这是首次在分子尺度量子点中观察到超导相关性 。理论预测，基于苯的分子约瑟夫森结可通过 QI 工程调节 Andreev 束缚态，实现门控可调的超电流调制 ，为研究量子临界性和拓扑超导提供了实验平台。
在化学和物理传感方面，SMT 也展现出了卓越的能力。例如，二芳基乙烯基 SMT 可作为可逆的光学开关，在紫外 / 可见光循环中，通过量子传输介导的共轭变化，实现了高达约 100 的开 / 关比和长达一年的操作稳定性 。激光耦合的 STM - BJ 系统则能够实现飞秒级的光电流动力学检测 。基于 Ni - 卟啉的分子传感器利用配位诱导的自旋态切换，在室温下实现了对自旋相关 QI 效应的实时监测 。π - 堆叠二聚体 SMT 可通过机械拉伸产生量子传输编码的电导振荡，用于精确映射非共价反应动力学中的结合能景观和过渡态动力学 。
尽管 SMT 在多个领域展现出巨大的潜力，但在实际应用中仍面临一些挑战。例如，在制备方面，如何提高器件的一致性和可重复性，以及解决分子与电极之间的界面问题等，都是需要进一步研究和解决的关键问题 。不过，随着研究的不断深入和技术的持续进步，SMT 有望在未来的电子学、能源和传感等领域实现广泛应用，为相关领域带来新的突破和发展机遇。
