微纳电子材料与器件..

上海大学2013 ～2014学年冬季学期研究生课程考试

课程名称：微纳电子材料与器件课程编号： 10SAZ9002 论文题目：分子导线、分子开关

研究生姓名: 葛升学号: 13721557 论文评语:

成绩: 任课教师: 沈悦

评阅日期:

注：后接研究生小论文，格式参照公开发表论文的样式。

分子导线、分子开关

摘要：

随着大规模集成电路向超大规模集成电路进发，元件的尺寸不断的缩小，器件工艺开始面临各种各样的限制。要解决这些问题，就必须采取与传统工艺截然不同的思路，从而实现器件尺寸的进一步减小。而其中一种备受关注的就是从原子分子系统出发，制造出分子电子器件，通过原子分子的组装实现器件的集成，从而制备出分子电路、分子开关、分子计算机等。本文就分子导线和分子开关展开讲述，具体介绍其分类、工作原理以及实现方法。其中包括生物分子开关的应用和利用分子开关构造二进制逻辑单元等。

关键词：超大规模集成电路、分子导线、分子开关、逻辑单元

Abstract:

With large scale integrated circuit marching to very large scale integration(VLSI), the size of components constantly shrinking, and device technology began to face a variety of constraints. To solve these problems, we must take very different ideas with the traditional process to achieve further reduce the size of the device. The one concern way is that creating a molecular electronic devices start from the atomic and molecular systems and devices to achieve integration by assembling atoms and molecules. Thereby preparing a molecular circuit, molecular switches and molecular computers. In this paper, we will introduce the classification, working principle and implementation methods of molecular wires and molecular switches. Including the biomolecules switching applications and using molecular switch construct a binary logic unit.

Keyword: VLSI, Molecular wires, Molecular switches, Logic unit

1.引言

在大规模集成电路向超大规模集成电路进发的过程中，摩尔定律指出硅片上集成的元件数目每隔18个月将增加1倍，元件的尺寸也会不断的缩小，按照这一定律，器件的几何尺寸将在2015年左右达到纳米量级。在更小的器件尺度上，器件工艺面临如下几个方面的限制：

量子力学的限制。按照量子力学理论，电子具有波粒二象性，当器件尺寸减小到纳米量级(小于35nm)时，电子则以波动性为主，这时电子器件是通过控制电子波的相位来工作的，器件的工作原理已经发生子根本的变化，在这个尺度，不能再按照传统的器件工作原理来设计器件。

热力学限制。当器件尺寸缩小时，热起伏会限制器件性能的一致性，使器件无法正常工作。

光刻工艺的限制[1]。芯片上器件的尺寸与光刻上艺中使用的光的波长有关，光波长越短，制备的器件越小，目前无法制备波长小于157nm光聚焦用的透镜，因此现在的光刻工艺还不能制备出更小的器件。

功率耗散的限制。由于随着元件尺寸不断减小，导线不断变细，导致器件的电阻增加，器件的热耗散增大，这限制子器件集成度的进一步提高。

此外，随着器件尺寸的减小，还会出现电流、电压感应击穿现象，同时使器件的结构复杂化，制作成本上升。

要解决这些问题，就必须采取与传统工艺截然不同的思路，从而实现器件尺寸的进一步减小。随光刻技术的不断发展，传统自上而下的电子芯片制造组装技术到达极限，人们开始试着自下而上从原子分子系统出发，制造出分子电子器件，通过原子分子的组装实现器件的集成，从而制备出分子电路、分子开关、分子计算机等。

2.分子导线

导线是电路中不可缺少的一种元件，它把各种各样的电子元件连接在一起，起到子信息和能量传输的作用。同样，我们要设计分子电路，要将分子电路中各种分子元件连接起来称为一个有机的整体，就需要分子导线[2]。

2.1 分子导线概念

分子导线是由单个分子或多个分子构成的能够起到传导作用的体系，其传导的对象不仅包括电子和空穴，还包括光子、孤子、自由基电子、极化子和双极化子等。

分子导线能够将一个个分子器件相互连接构成分分子电路，并连接到外部世界，有效的分子导线是实现分子器件之间以及分子器件与外部连接的关键单元。

分子导线，是一种一维链状并且高共扼的分子，其导电性质基于化合物的极化或者电荷转移，分子中应至少存在一个共扼单元。

2.2 分子导线特点

分子导线通常都具有如下特点：

有π共扼结构的导电长链；

含有两个极性的能进行可逆电子交换的活化基团终端；

分子链具有是够的长度；

与周围绝缘以阻止电子的任意传输。

2.3 超分子分子导线

作为研究分子间非共价键相互作用的化学，超分子化学在分子导线的设计上具有其独到的优势。它对分子导线的关注最初来自于从仿生学的角度研究生物媒介的穿膜电子传送TEF(Trans-membrance electron transfer)[3]，因此这一类型的分子导线在结构上通常都具有如下的特点：

允许电子传导的P-共轭长链；

含有两个极性的、能进行可逆电子交换的活化基团终端；

链具有是够的长度，可与单分子或双分子膜一类的支撑体的厚度相匹配。2.3.1 传导电子的分子导线

将类胡萝卜素(Carotenate)的多烯结构与甲基紫(Methyviologen)的氧化还原特性组合起来，在长链共轭多烯烃两端连上N-取代吡啶基的Caroviologen型分子导线，如图1所示。它是众多分子导线之中最有代表性的一个，大量研究都表明它的长链与双分子膜的厚度相匹配，并且确实可以起到功能化的分子导线作用。