分子器件分类
• 分子导线：所有由单分子或多分子构成的能够起传到作用 的的体系，其传导的对象包括电子、光子和离子（统称化 学子）。 • 分子开关：就是具有双稳态的量子化体系。所有的开关机 理中，最有希望的是在短周期结构内的电子通道，基于 Pscheninchnow的准经典方法，电子通道开关由位垒和位 阶来控制。 • 分子整流器或场效应管：类似普通固态整流器采用p-n结 来实现整流，分子整流器也有类似的结构性质。 • 分子存储器：基于双稳态或多稳态分子来实现。 • 分子马达：分子电子学中的分子马达是指分子水平(纳米 尺度)的一种复合体系，是能够做机械功的最小实体 • 分子电路及分子计算机：目前分子电子学最大的难题是如 何将分子器件组装成逻辑电路并与宏观世界连接，
4· 发展的趋势
• 对无机材料的有机化处理，将之改成有机 材料，增强分子的柔软性。 • 注重单分子的功能，力争实现基于功能分 子的超高性能器件。随着技术发展，人们 已经可以对通过单个分子或分子簇的电流 进行测量，这对研究相关点血性能有重要 帮助，这使得利用分子或分子簇的电学性 能来实现某种特殊功能成为研究的热门。
• 部分类型图示
基于光诱导分子构型变化的开关
图注：通过氮原子替代富勒烯分子中的一个碳原子， 并利用单电子隧穿效应，首次实现了富勒烯新型单 分子整流器。
The photoinduced inclusion of 4,4’bipyridine(45) inside the cavity of the azobenzene-capped cyclodextrin derivative 44(H2O, pH 7.2, 298K).The 4,4’dicarbonylazobenzene unit is attached to two of the primary oxygen atoms of the cyclodextrin derivative
3）、有机分子束外
延技术(OMBE)。
4）、STM是唯一能够提供纳米尺度低能量
(0eV~20eV)粒子束的仪器,隧穿电子束的动能甚 至可以为零,因为电子是穿透势垒井非越过势垒； STM能够对单个原子进行控制操作；利用STM技 术可以剪裁分子乃至合成新的功能分子。IBM的 科学家曾利用STM针尖对具有4个“叶片”结构 的porphyrin分子施加一个电压脉冲,将其中一个 “叶片”打掉,这个实验表明STM实现“分子手 术”的可能性。
水平接触法图示（LB技术有垂直 法、水平接触法及水平和垂直相结合的 挂膜方法，其中以水平接触法使用最为 广泛）
2）、自组装(Selfassembly,SA)是一种基于化 学反应的特性吸附。基本方 法是:将有某种表面物质的 基片浸入到表面活性剂的有 机溶液中,活性剂分子一端 的反应基(头基)与基片表面 物质发生自动连续的化学反 应,在基片表面形成化学键 连接二维有序单层膜。
新材料发展与应用的学生学术报告件的概念 分子器件的分类 分子器件制作方法 分子器件研究进展
1· 概念
分子器件的概念源于 1974 年 Aviram 和 Ratner 提出的分子极管整流器的理论构 想。分子器件属于纳米器件的范畴，其概 念涉及三方面的内涵： · 基于分子材料的器件:基于分子材料的器件涉 及各种薄膜器件、单晶器件、自组装器件 等 · 基于分子尺度的器件:基于分子尺度的器件包 括利用交叉的纳米线做成的二极管和场效 应晶体管、利用碳纳米管制备的晶体管等 · 单分子器件：单分子器件主要包括单分子开 关、单分子整流器、单分子场效应管等基 于功能分子的器件。
3、理论研究进展
• 在实验单分子科学取得重大进展的时候，理论工作者也努力地发 展各种方法来理解分子器件的工作原理并对未来分子器件的建构作充 分的展望。理论工作的开展归功于量子化学计算方法日新月异的进步。 众所周知，量子化学主要有三大理论支柱，即价键理论、分子轨道理 论和配位场理论，而目前解决分子电子学问题主要依靠的是分子轨道 理论。分子轨道理论假设分子轨道是由原子轨道线性组合而成，允许 电子离域在整个分子中运动，而不是限定在特定的键上。这种离域轨 道被电子占据，从低能级到高能级逐次排列。离域轨道具有特征能量， 数值与实验测定的电离势相当接近。 • 人们认识到分子器件的V-A特性主要由以下两个因素决定：分子 本身的电子结构和分子与金属表面的相互作用。从第一性原理出发， 利用前线轨道理论和微扰理论能够很好地解决上述问题，并为今后分 子器件的理论与实验的进一步发展开辟了方向。 • 综上所述，分子电子学和分子器件研究无疑充满了诱人的前景， 是当今无电子学器件尺寸极限的必然选择。尽管实验科学在许多方面 取得了重大进展，但大多成果还只停留在原理的层面上，甚至理论工 作有超前于实践的可能。更大的突破还有待于我们对分子结构的更深 入的认识和对功能更进一步的开发和利用。同时我们也应该看到，我 国在分子器件的实验研究上和国际水平相比还有较大的差距，认识这 一学科，并为此付出巨大的努力应当成为我国科技界的共识
分子电子学
1959年,美国物理学家Feynman发表了题为“在底部有很大空间”的著名 预言,提出了与传统“top-down approach”加工材料和器件截然不同的方法,打 开了科学家们的视野。20年后,美国西北大学Ratner教授提出了第一个分子整流 器的理论模型，正式标志分子电子学的诞生。时至今日,在以硅为基础的半导体 器件微小化的潮流中,在半导体器件内在物理尺寸的量子效应限制的推动下,分 子电子学的研究取得了举世公认的重大突破,被普遍认为是21世纪的主要研究领 域之一,是下一代工业革命(分子电子工业)的原动力 与传统的从宏观到微观的微加工技术相反,分子电子学的研究主要是从微观 到宏观的角度,对功能分子材料在分子尺寸范围内实现对分子电子运动的控制, 包括功能分子的设计、合成,晶体生长,有序薄膜制备、结构、性能研究,特殊的 物理化学现象和过程的研究,分子器件的组装以及相关科学问题的研究。它能够 在分子或超分子层次上完成对光、电、磁、热、离子、机械和化学信号等的检 测、转换、储存、处理和传输,涉及化学学科的各个分支以及物理学、电子学和 生物学等多个学科,是一门前沿的强交叉基础科学。而利用功能单分子构建光电 子器件是纳米科技和分子电子学研究的最终目的之一。
用纳米技术制成的纳米存储器
2.电子器件制作方法
分子器件主要制作技 术有LB技术、自组装术、 有机分子束外延技术和 STM加工技术。 1）、LB技术是一种人为控 制特殊吸附的方法,基本方 法是将具有脂肪链疏水基 团的双亲分子溶于挥发性 溶剂中,通过垒控制表面压, 溶质分子便在气/液界面形 成二维排列有序的单分子 膜,即Langnuir膜(L膜)。将 单分子膜转移到固体基板 上,可组建成单分子或多分 子膜,即Langmuir-Blodgett 膜
分子器件现在关注的问题
• 如何建立完整的模型以解释电子在分子中的传输 和电极接触效应； • 如何利用分子组装等技术调控分子材料的性能； • 如何解决分子器件的有效连接问题； • 如何避开老化和降解问题； • 如何快速组装分子器件并达到分子精度； • 如何利用电子、质子和能量转移等现象和性质设 计分子器件； • 分子材料中的微尺寸效应问题等。