分子器件

本文对分子器件的概念和研究目标作了描述，并对分子导线、分子开关、分子整流器、分子存储器、分子计算机当前的研究状况和存在问题作了简单介绍．     

分子整流器的相关技术

分子整流器的相关技术是研究器件基础理论和未来付诸应用的关键问题之一。由于分子材料的特殊物理化学性质,原本成熟的普通半导体工艺不再适用。本文综述了目前在分子整流器研究领域广泛使用的相关技术,介绍了分子有序排列的各种组装技术,ＳＴＭ技术,电极制备技术等。分子器件的深入研究将会引起信息处理系统和材料科学的发展,对未来科学技术和社会发展产生深远的影响。     

单分子器件电输运中基于量子干涉效应的调控策略

单分子器件电输运中的量子干涉效应是电子在分子独立的轨道能级内传输时因保持量子相干性,从而在不同能级之间发生相互干涉的现象.这种现象导致了电子在单分子器件内透射概率的增加或减小,在实验中体现为单分子器件电导值的升高或降低.近些年,利用量子干涉效应对不同的单分子器件进行调控在实验中被证实是有效的调控手段,如对单分子开关、单分子热电器件、单分子自旋器件等器件性能的调控.本文介绍了量子干涉效应的相关理论与预测、实验观测与证实,以及其在不同单分子器件上的调控作用.     

超分子有机薄膜

利用超分子有机薄膜技术能制成新的传感分子电子器件、光学器件和生物分子器件等，受到跨学科高技术研究领域的重视。本文描述了超分子有机薄膜的制备方法以及在各应用领域的研究状况。重点介绍了我们研究组在近20年工作中，利用LB膜技术，在光电器件、气体传感技术和光学非线性，特别是在生物传感技术方面的研究成果。按照生物体系提供的信息，模拟合成功能分子，建造有组织的分子组装体，以便用来研究依赖于分子排列的生物物理化学效应。     

分子电子器件的电性能测试方法

介绍了用于两端分子电子器件电性能测试的纳米孔技术、交叉线接触技术、导电原子力显微镜技术、扫描隧道显微镜技术、纳米间距电极技术以及机械可控断裂结技术．结合分子器件的电性能测试要求，对各类测试方法进行了分析评价，并简要指出了分子器件电性能测试研究的发展趋势。     

分子电子学

 一、什么是分子电子学分子电子学(molecularelectronics),是指用有机功能材料的分子构筑电子线路的各种元器件,如分子开关、分子整流器、分子晶体管等,并测量和解析这些分子尺度元器件的电特性或光特性的一门学科。20世纪是无机半导体的世纪,21世纪将是有机分子电子学的世纪。科学家们根据摩尔定律预测,无机半导体集成电路的发展,将在2020年左右达到极限。随着人类进入信息时代,电子技术要求器件和系统向“更小”“更快”“更冷”的方向发展。     

导线非共线的分子器件输运性质的第一性原理研究

分子器件是电子器件向小体积化发展的极限,分子器件中的电子在输运过程中体现出明显的量子效应,分子导线与分子接触的位置和导线间的角度等器件结构因素都会对分子器件的输运性质产生较大的影响.迄今为止,尚未见利用第一性原理量子输运计算方法研究导线非共线的分子器件输运性质的报道.本文以金-苯(硫醇)-金结构的分子器件为例,利用基于非平衡格林函数理论和密度泛函理论的第一性原理量子输运计算方法对其输运性质进行了系统研究,特别注重于研究随着非共线导线间导线夹角角度的变化及导线和苯(硫醇)分子接触位置的不同对器件输运性质的影响.计算表明,金导线与苯(硫醇)的接触位置及导线的夹角等器件结构细节不仅能够定量地影响金-苯(硫醇)-金分子器件的电流大小,还能够定性地改变器件的输运性质,使得部分器件结构出现负微分电阻效应.研究结果对全面理解分子器件的输运性质具有一定的指导意义.     

应用于单分子测序的纳米微结构器件

基因测序技术是现代最为重要的生物医学研究手段之一,单分子测序技术作为最新一代测序技术被广泛研究,并形成了微纳制造、光电子、微流控和分子生物学等多学科的交叉探索和多种技术创新的有机结合.文章系统总结了应用于单分子测序的纳米微结构器件的原理和功能,重点阐述了零模波导器件和纳米孔器件在单分子测序中的作用以及制备工艺,从器件的角度提出了单分子测序技术所面临的挑战.     

硅分子束外延及其应用的新进展

以Si为基底的分子束外延是Si能带工程的基础．本文简要地介绍了Si分子束外延的技术以及它在新型器件结构应用方面的一些基本问题和发展现状．     

分子电子学器件研究进展一瞥

文章综述了作为硅半导体CMOS器件的下一代电子学器件——分子电子学器件的研究进展.介绍了分子电子学器件的原理,分子电子学器件的理论与实验分歧的解决情况,分子电子学器件涉及的诸多量子力学效应,以及在分子晶体管研究上实验和理论的最新成果.     

Molecular scale electronic devices using single molecules and molecular monolayers

Molecular electronic devices that utilize single molecules or molecular monolayers as active electronic components represent a promising approach in the ongoing miniaturization and integration of electronic devices. Rapid advances in technology have enabled us to engineer molecular electronic devices with diverse functionalities. Significant progress has been made in understanding charge transport in molecular systems at the single-molecule level, and concomitantly, new device concepts have emerged. This review article focuses on experimental aspects of electronic devices made with single molecules or molecular monolayers, with a primary focus on the characterization and manipulation of charge transport.     

基于石墨烯电极的蒽醌分子器件开关特性

研究了基于石墨烯电极的蒽醌分子器件的开关特性.分别选取了锯齿型和扶手椅型的石墨烯纳米带作为电极,考虑蒽醌基团在氧化还原反应下的两种构型,即氢醌(HQ)分子和蒽醌(AQ)分子,构建了双电极分子结,讨论了氧化还原反应和不同的电极结构对蒽醌分子器件开关特性的影响.研究发现,无论是锯齿型石墨烯电极还是扶手椅型石墨烯电极,HQ构型的电流都明显大于AQ构型的电流,即在氧化还原反应下蒽醌分子呈现出显著的开关特性.同时,当选用锯齿型石墨烯电极时其开关比最高能达到3125,选用扶手椅型石墨烯电极时开关比最高能达到1538.此外,当HQ构型以扶手椅型石墨烯为电极时,在0.7-0.75 V之间表现出明显的负微分电阻效应.因此该系统在未来分子开关器件领域具有潜在的应用价值.     

Self-assembled and electrochemically deposited mono/multilayers for molecular electronics applications

For the development of molecular electronics, it is desirable to investigate characteristics of organic molecules with electronic device functionalities. In near future, such molecular devices could be integrated with silicon to prepare hybrid nanoelectronic devices. In this paper, we review work done in our laboratory on study of characteristics of some functional molecules. For these studies molecular mono and multilayers have been deposited on silicon surface by self-assembly and electrochemical deposition techniques. Both commercially available and specially designed and synthesized molecules have been utilized for these investigations. We demonstrate dielectric layers, memory, switching, rectifier and negative differential resistance devices based on molecular mono and multilayers.     

Device design based on the covalent homocoupling of porphine molecules

Porphine has a great potential application in molecular electronic devices. In this work, based on the density functional theory(DFT) and combining with nonequilibrium Green's function(NEGF), we study the transport properties of the molecular devices constructed by the covalent homocoupling of porphine molecules conjunction with zigzag graphene nanoribbons electrodes. We find that different couple phases bring remarkable differences in the transport properties. Different coupling phases have different application prospects. We analyze and discuss the differences in transport properties through the molecular energy spectrum, electrostatic difference potential, local density of states(LDOS), and transmission pathway. The results are of great significance for the design of porphine molecular devices in the future.     

Molecular and intramolecular electronics

Starting from the Aviram–Ratner molecular diode design, we follow the progress of molecular electronics from simple discrete molecular devices towards quantum computing at the molecular scale. Discrete molecular devices like the electromechanical C₆₀single-molecule amplifier and the nanotube transistor are described. Then, progresses towards intramolecular electronics where circuits and devices may be integrated in a single molecule are discussed. This requires the mastering of the long-range electron transfer effect (super-tunnelling phenomenon) and introduces new electronic circuit rules to create electronic functionnalities inside a single molecule. At this stage, intramolecular electronics can be viewed as a peculiar branch of quantum computing, using the decoherence effect, instead of avoiding it, to stabilize a computation within a single molecule.     

基于交叉结构的分子电子器件及其逻辑电路的研究进展

随着大规模集成电路的特征尺寸进入到纳米级，传统的硅基集成电路技术面临挑战，新材料及新结构的研究成为热点，纳电子学分支之一的分子电子器件正在蓬勃发展一场效应晶体管（FET）和交叉结构是目前主要的分子电子器件的结构，而交叉结构有利于集成受到广泛关注。文章概述了基于交叉结构的分子纳米器件工作原理、工艺流程，并着重介绍了逻辑功能的实现方法及其研究进展，最后，总结了交叉结构的前景及所面临的困难。     

LB膜的电致发光及其器件

Langmuir-Blodgett(LB)膜具有超薄、均匀、取向和厚度可控及在分子水平上可任意组装等特点,以LB膜为发光层所制备的电致发光(EL)器件,发光层的组成和厚度精确可控,制备条件温和,给发光层的制备开辟了一条新途径。论述用作EL器件的发光层、电子传输材料(ETL)和空穴传输层(HTL)的LB膜材料。并以8-羟基喹啉的两亲配合物LB膜为重点,介绍了LB膜的层数、沉积压等制膜参数对EL器件性能的影响,讨论了IB膜EL器件的发光机理,最后,对IB膜EL器件存在的问题及今后的发展前景进行了评述。     

Ballistic conductance in quantum devices: from organic polymers to nanotubes

With the size of electronic devices approaching the nanometer scale, transition to self-assembly in molecular electronics systems appears to be technologically the next step to pursue. Quantum conductors with an especially high potential for applications are organic polymers and carbon nanotubes. The latter are being considered for use as both nonlinear electronic devices and as connectors between molecular electronics devices and the “outside world”. Depending on their internal structure and the nature of the electric contact to leads, these systems may exhibit fractional conductance quantization.