如果没有电荷在电路中穿梭的能力，你的电视、电脑、智能手机或其他任何电子设备都无法工作。
然而，随着这些器件性能不断提升，其中的单个元件越来越小，已进入纳米尺度，要将这些电荷精确输送到所需之处也变得越来越困难。
事实上，在纳米尺度下，其中一些元件会表现出非常奇特的行为，甚至单个原子就能影响或干扰电子的流动。因此，更好地理解和控制这些纳米尺度的动力学行为，对于改善其功能至关重要。
边缘之处
晶体管是微芯片的基本组成单元，存在于从计算机、智能手机到放大器等各类设备之中。其功能从根本上取决于电子如何在金属、绝缘体和半导体材料之间的界面附近或界面处流动。
如今，晶体管的宽度可小至10纳米，而且仍在不断缩小。如果你口袋里有一部智能手机，它内部很可能有超过十亿个晶体管。
随着这一小型化趋势持续推进，电子元件的性能越来越受材料边界处电子行为的影响，因为尺寸越小，电子靠近界面的可能性就越大。
这就好比你身处一个房间，房间越小，你靠近墙壁的概率就越高。
太阳能电池也存在类似现象：当正负电荷在电子给体材料与电子受体材料之间的边界处、相隔仅几纳米的范围内分离时，太阳能电池便会发电。
发光二极管的原理则恰好相反：当正负电荷在这些边界处复合时，它们便能发光。
有机分子与生物体中负责光合作用的分子相似，具有半导体特性，是晶体管、太阳能电池和发光二极管等器件非常有前景的材料。
它们成本低廉、重量轻、柔韧性好且用途广泛。其电子特性可以调节，而且其生产过程所耗能源低于硅。
岛屿之间
我们 近期研究了 由有机半导体分子组成、分布在薄绝缘体上的二维纳米团簇（即“纳米岛”），其大小和形状各不相同。我们借此考察其上不同位置的电子特性如何变化。
我们使用扫描隧道显微镜，测定有机纳米岛的原子尺度结构和电子特性。
通过测量这些电流，我们可以绘制材料表面的图像，从而了解原子和电子的位置。这些测量极其灵敏，因此我们必须在加拿大 University of British Colombia 的一间振动极低的实验室中进行。
我们的实验表明，位于纳米岛边缘的分子，其电子行为与中心的分子截然不同。重要的是，这些电子行为差异在很大程度上取决于附近分子位置和取向的细微变化。
我们发现，当在纳米岛中心的特定位置移除一个电子时，周围材料的电子会作出反应，朝着因电子移除而产生的正电荷方向移动。
同样，如果添加一个电子，周围的电子会远离因电子添加而产生的负电荷。这种电子的集体运动使周围环境发生极化并稳定所产生的电荷，电荷由此得到屏蔽。
相比之下，当在纳米岛边界处移除或添加电子时（而这里的电子转移对技术应用十分重要），所产生的电荷被屏蔽的效率要低得多。
设想一个拥挤的派对上，突然有人离开了房间中央，留下一片空地。周围跳舞的人会逐渐填补这一空位，而如果离开的是房间边缘的人，填补速度就会慢得多。
这并不完全令人意外。然而，令人惊讶的是这种效应的程度。我们的研究结果表明，其中涉及的能量非常大。
纳米尺度上的调控
我们的研究表明，纳米电子器件的设计面临一个难题。元件纳米结构的细微特征不仅会在其界面处引发严重的电子效应，而且随着元件尺寸缩小，这些效应的影响也变得更加重要。
因此，必须以极高的精度控制这些元件界面处原子和分子的排列，才能设计出效率和功能最优的新技术。
我们的研究结果为新的工程方法打开了大门：通过对原子尺度结构进行微小而精确的调整，即可调节纳米器件的电子特性。
这可以通过 在材料表面以可控方式移动原子和分子 来实现。另一种可能的方式是超分子自组装，即原子和分子相互作用，并在纳米尺度上自动排列成理想图案。
因此，尽管我们发现的这些效应对纳米电子器件的未来构成挑战，它们同时也为开发更快速、更高效的通信、信息与电子技术提供了极佳的机遇。
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作者：Agustin Schiffrin 是莫纳什大学物理学讲师。Katherine Cochrane 是 University of British Colombia 原子成像专业的博士候选人。Sarah A. Burke 是 University of British Colombia 纳米科学助理教授。
图片：一名工人在美国加利福尼亚州圣地亚哥市电子制造商 VAS 的生产工厂焊接电路板。REUTERS/Mike Blake。
