分子电子学与分子电子器件

文章编号:1671-9352(2002)04-0339-04

分子电子学与分子电子器件

张宏川　崔学桂　姜建壮

(山东大学化学与化工学院,济南　250100)

摘要:介绍了分子电子学与分子器件研究领域的最新进展,展望了分子电子学的发展前景,提出了

一些新的想法和建议.

关键词:分子电子学;分子电子器件;分子电子学进展中图分类号:O621.3;T N4 文献标识码:A

收稿日期:2002-04-24

基金项目:国家自然科学基金“手性及巨型三明治酞菁稀土配合物及其纳米材料的合成、结构和表征”(20171028)、国家科技部“973”项目“纳电

子运算器材料的表征与性能基础研究”(2001C B6105-04,2001C B6105-06)和山东省自然科学基金重点项目“卟啉酞菁基分子材料”(Z 99B03)资助课题.

作者简介:张宏川(1978-),男,硕士生,从事分子材料和分子电子器件的研究.

Molecular E lectronics and Molecular E lectronic Devices

ZH ANG H ong -chuan ,C UI Xue -gui &J I ANGJian -zhuang

(Faculty o f Chemistry and Chemical Technology ,Shandong Univer sity ,Jinan 250100,China )

Abstract :The new progress of m olecular electronics and m olecular electronic device was introduced together with the potential de 2velopment and application of this rapidly -growing field in future.

K ey w ords :m olecular electronics ;m olecular electronic device ;development of m olecular electronics

分子电子学研究的是分子水平上的电子学,其目标是用单个分子、超分子或分子簇代替硅基半导体晶体管等固体电子学元件组装逻辑电路,乃至组装完整的分子计算机.它的研究内容包括各种分子电子器件的合成、性能测试以及如何将它们组装在一起以实现一定的逻辑功能.

同传统的固体电子学相比,分子电子学有着强大的优势.现行的微电子加工工艺在10年以后将接近发展的极限,线宽的不断缩小将使得固体电子器件不再遵从传统的运行规律;同时,线宽缩小也使得加工成本不断增加.分子电子学有望解决这些问题.在奔腾电脑芯片中1cm 2的面积上可以集成107～108

个电子元件,而分子电子学允许在同样大小的面积上集成1014个单分子电子元件[1],集成度的提高将使运算速度极大的提高.同时,由于分子电子学采用自下而上的方式组装逻辑电路,所使用的元件

是通过化学反应大批量合成的,所以生产成本与传统的光刻方法相比将大大缩减.目前,为了抢夺未来科技的制高点,许多发达国家都制定了发展纳米电子学和分子电子学的专项计划,投入了巨大的人力物力,同时也取得了一系列的突破.2001年12月21日,美国《科学》杂志将分子电子学所取得的一系列成就评为2001年十大科技进展之首[2].

1　分子电子器件

1.1　分子导线

同现行的以硅基半导体为基础的微电子学一样,分子导线、分子开关、分子整流器和分子场效应管也是构成分子电子学的基本器件.其中有效的分子导线是实现分子器件的关键单元.分子导线必须满足下列条件[3]:①导电;②有一个确定的长度;③

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山东大学学报(理学版)

JOURNA L OF SH ANDONG UNI VERSITY 2002年8月August 2002

含有能够连接到系统单元的连接点;④允许在其端点进行氧化还原反应;⑤与周围绝缘以阻止电子的任意传输.目前研究的分子导线多是具有大∏共轭体系的有机分子长链.T our所描述的方法(图1)[1]可用来合成各种有确定长度的分子导线(图2).在这种方法中,分子的长度在每一步反应中都成倍增长;并且,由于产物的链长总是比原料增加一倍,所以很容易分离提纯.得到所需的长度后,还可在分子的末端加上某些可以起到鳄鱼夹作用的基团(如SH等),以便同金属电极或其它功能分子连接

.

图1　分子导线的合成

Fig.1Synthesis of m olecular conducting

wires

图2　分子导线

Fig.2A kind of m olecular conducting wire

使用两端都带有活性基团的初始反应物,分子

链可以同时向两个方向生长[1].这种方法允许在分

子导线中插入不同的功能单元以实现特定的功能.

当分子导线中含有不同的结构单元而形成分子节

时,其I-V曲线是非线性的.

具有大∏共轭体系的卟啉环是构造分子导线的

理想单元.Anders on曾以卟啉环为基本单元合成链

状共轭结构[4],以卟啉为中心功能单元,两端带有鳄

鱼夹的分子导线也已合成出来[5].最近,Tsuda等报

道了共轭的带状卟啉聚合物的合成和性能[6],其中

的卟啉单元之间以三个单键相连,所有的卟啉环都

处在同一平面上,随链长的增加,聚合物的紫外-可

见-近红外光谱吸收峰发生红移,丢失一个电子的

氧化电势也随之降低,说明其共轭程度增加.这些

性质都表明这种低聚物将是极有前景的分子导线.

然而必须提及的是,与分子导线的合成相比,其

导电性能的测试难度则要大得多.Bumm[7]等人用

ST M测量了分布在不导电的十二硫醇自组装单层膜

中的4-(4-苯乙炔基)苯乙炔基苯硫醇衍生物单

分子的导电性.被测分子进入到十二硫醇自组装单

层膜的“晶界”中,并通过S原子吸附在基片上,不同

的被测分子之间被不导电的十二硫醇隔开,相互之

间不会产生影响.由于被测分子是高出十二硫醇分

子膜的,通过ST M可以确定被测分子的确切位置,

从而可以测量其电学性质.测量结果表明,被测分

子确实要比十二硫醇的导电率高得多.

在另一篇报道中[8],Reed等将单分子的电流更

精确地测量出来.实验者将一根金线浸泡在1,4-

苯二硫醇的THF溶液里,金线的表面将吸附一层该

分子的S AM,缓慢拉伸金线,并最终使其断裂,于是

便产生两个靠得很近的针尖,操纵针尖缓慢靠近,直

到有一个1,4-苯二硫醇分子跨接到两个针尖之

间,然后便可以测量它的导电性质了.测试表明,一

个1,4-苯二硫醇分子可以允许0.1mA的电流通

过.

1.2　分子开关

分子开关是指一种具有双稳态的分子,通过施

加一定的影响,如光照、氧化还原、酸碱性的改变等,

分子可以在两种状态之间进行可逆转换,这两种状

态由于电阻的高低不同而对应于电路的通断.

轮烷和索烃是目前人们研究较多的两类双稳态

分子.轮烷由一个环状的部分和一个棒状的部分组

成,环可以以棒为轴进行旋转或沿棒的方向滑动,棒

的两端带有位阻较大的集团可以阻止环的脱落.若

在棒上引入两个不同的位点,当环停留于这两个不

同的位点时,就对应了两种不同的状态.电化学或

化学环境诱导的轮烷分子开关早已报道[9].

索烃由两个套在一起的环组成,两个环之间可

以发生转动.在其中的一个环上引入不同的位点,

同样可以构成双稳态分子开关.C ollier等人在2000

年的一篇报道中[10],将一种具有双稳态的索烃组

装为LB膜,并夹在两个电极之间,在±2V电压作用

下,索烃分子膜可以进行可逆的开关.开关打开时,

电路可以在0.1V电压下导通,而在开关关闭时,电

路不能在0.1V电压下导通.

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