纳米电子学研究的新进展及发展前景

微电子器件的下一代是纳米电子器件，它将在未来的信息社会中起重要作用．所以，引起一些发达国家和大公司对纳米电子学的研究的高度重视，它涉及多种微观物理现象和规律．文章介绍了纳米电子学研究内容和领域，评述了一些国家政府支持的情况和纳米电子学研究的新进展，也介绍了我国纳米电子学的研究水平和发展前景．     

纳米级自旋电子学材料取得重要进展

因为纳米级的自旋电子学器件需要在纳米尺度上仍能在较高温度下保持优异性能的高自旋极化率材料，故与半导体相容的半金属铁磁体近来受到高度重视．文章介绍作者在这个方向上研究工作的最新重要进展：通过大规模系统的高精度第一原理计算，作者发现三个3d过渡金属硫系化合物的闪锌矿相具有优异的半金属铁磁性，并且其结构性能适合做成具有足够厚度的薄膜或层状材料，便于应用于纳米级自旋电子学器件。     

纳米电子学的最新进展

文章介绍了纳米电子学在自组织生长、器件构造和电学／光学器件应用等方面的最新进展，其中包括：利用流体或极性分子实现了纳米线／管的定向排列；用此方法制成了纳米线逻辑电路和新型纳米线／带薄膜晶体管；研制成功可进行高密度信息存储的单分子层面纳米线交叉电路；进行了半导体CdS纳米线电泵激光和碳纳米管电致发光研究．此外，还对自旋电子学的研究进展进行了简要介绍，对纳米电子学的研究与发展方向提出了建议。     

ZnO一维纳米线及其异质结构的外延生长

一维纳米结构因其优异的光、电特性，在纳米电子学，光电子学器件等方面有重要的应用价值而倍受关注．在一维半导体纳米材料中，ZnO因激子束缚能大（60meV），可在室温获得高效的紫外发光而成为近年来继GaN材料后的又一研究热点．外延生长一维纳米结构ZnO及其量子阱材料除因量子尺寸效应更适宜做室温紫外发光、激光材料与器件外，还因界面和量子限制效应而具有许多新奇的光、电、和力学特性，可应用于纳米光电子学器件，传感器及存储器件，纳米尺度共振隧道结型器件和场效应晶体管的研制和开发．文章着重介绍了目前ZnO一维纳米结构制备，一维ZnO纳米异质结构和一维ZnO／Zn1-xMgxO多量子阱结构的外延生长和研究进展．     

压电式纳米发电机的原理和潜在应用

纤锌矿结构氧化锌纳米线具有半导体性能和压电效应。用导电的原子力显微镜探针针尖去弯曲竖直生长的氧化锌纳米线，在纳米线的内部和外部分别造成压缩和拉伸，这种独特结构导致了弯曲纳米线的内外表面产生反极性的极化电荷，借助半导体性质的氧化锌纳米线和其金属尖部的肖特基势垒将电能暂时储存在氧化锌纳米线内，并可用导电的原子力显微镜探针接通这一电源，向外界输电，从而完美地实现了在纳米尺度上把机械能转化为电能。该纳米发电机的发电效率可以达到17％-30％，此项重要的科学发现将为自发电式纳米器件奠定物理基础。文章介绍了它的工作原理和潜在应用。     

半导体纳米材料和物理

半导体纳米材料是纳米材料的一个重要组成部分，纳米结构的电子和光子器件将成为下一代微电子和光电子器件的核心。文章介绍了半导体纳米材料研究的新进展，包括四个方面：半导体自组织生长量子点，纳米晶体，微腔光子晶体和纳米结构中的自旋电子学。本世纪开始的半导体纳米材料的研究是上世纪半导体超晶格量子阱研究的延续，同时又开辟了一些新的领域，如：单电子的电子学、单光子的光子学，微腔和光子晶体，稀磁半导体和自旋电子的相干输运等，这些研究将为研制在新原理基础上的新器件和实现量子计算、量子通信打下基础。     

''''98中国青年学者纳米科学研讨会

纳米科学是一门集基础科学和应用科学于一体的新兴科学,主要包括纳米电子学、纳米材料和纳米生物等科学．纳米科学主要是指在纳米尺度甚至在原子尺度上对物质表面和内部的结构以及单分子表面和内部的结构进行观测、分析研究和加工．近年来,扫描隧道显微镜和原子力显微镜...     

分子包埋纳米粒子薄膜阻变特性研究进展

有机分子包埋纳米粒子阻变薄膜是信息存储领域的研究热点之一,本文从器件电极、介质层结构、纳米粒子种类、阻变机理和柔性弯折等方面,综述了其近年来的研究进展.电极/分子及分子/纳米粒子界面性质对器件阻变特性影响较大,但影响规律及界面调控机理仍待探究;分子结构与纳米粒子的种类、尺度及分布可改变膜内界面性质进而影响阻变特性;器件阻变机理主要包括导电细丝、电荷俘获与释放和电荷转移三种,其中导电细丝又分金属、氧空位和碳细丝.分子包埋纳米粒子薄膜阻变研究现多停留在小规模和静态器件方面,下一步应从连续卷绕制备、纳米粒子分布精确控制和耐弯扭特性等方面深入研究,为实现大面积、低成本、高柔性阻变存储器奠定基础.     

低维材料与光电子学的发展

光电子学的发展要求制作分子级的功能元器件，然而尺度为纳米级的材料会呈现新的光电特性，因此从理论上的实验上研究低维材料的性能和制备以及功能器件的结构具有重要的意义．     

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。     

Quasi-one-dimensional transport in conducting polymer nanowires

Recent advances in the synthesis of nanowires based on conducting conjugated polymers are described. The results of recent experimental studies of the electrical properties of polymer nanowires are critically analyzed. The applicability of various theoretical models of tunneling in one-dimensional conductors (variable-range hopping conductivity, Luttinger liquid, Wigner crystal, etc.) to the interpretation of the experimental data on the electronic transport in polymer nanosystems is discussed. A phenomenological model is proposed describing the mechanism of transport in polymer nanowires with allowance for the quasi-one-dimensional nature of molecules of conjugated polymers. The first applications of polymer nanowires in nanoelectronics and prospects for the future are discussed.     

Optical properties of conjugated polymers having linear carbon moieties

Alternate conjugated copolymers consisting of phenylene or biphenylylene unit and linear carbons unit such as cumulene and polyyne were synthesized. The optical property of these polymers was investigated by UV–Vis and fluorescence spectroscopies. Among cumulene-type polymers, the polymer having allene moiety showed a unique hypsochromic shift and intense blue fluorescence in solution, while poly(phenylenebutadiynylene)s, typical of polyyne-type linear conjugated polymers, showed fluorescence in the region from blue-green to green in high efficiency besides thermotropic liquid crystalline property. Substituent effects of the polymers on optical property as well as the band structure were evaluated on the basis of Hammet parameters, which was utilized for designing of the polymers. The poly(arylenebutadiynylenes)s were applied in polymer LED. The devices consisting of ITO/PEDOT-PSS/emitting polymer/Ca/Al realized EL emissions in the region covering RGB colors.     

共轭高聚物中的杂质分布：晶格形态及高浓度掺杂效应

基于扩展Su-Shrieffer-Heeger (SSH)模型,通过自洽计算的数值方法,研究了共轭高聚物链表现为孤子态和大极化子态两种不同晶格形态时链内的杂质分布情况,计算结果显示,分立的畴壁可导致高聚物链中形成多个稳定的势阱,有利于杂质在链中聚集分布。此外,还研究了在较高浓度的掺杂条件下,共轭高聚物链内的杂质分布规律。结果显示,杂质倾向于在中心区形成高浓度分布,而在链端区,杂质更倾向于离散分布。该研究表明,高浓度掺杂下杂质分布具有稳定的特征,晶格形态对杂质分布具有显著的影响,这些结论可为实验上操控杂质在共轭高聚物中的分布提供一定的帮助。     

共轭高聚物中的杂质分布:晶格形态及高浓度掺杂效应

基于扩展Su-Shrieffer-Heeger(SSH)模型,通过自洽计算的数值方法,研究了共轭高聚物链表现为孤子态和大极化子态两种不同晶格形态时链内的杂质分布情况,计算结果显示,分立的畴壁可导致高聚物链中形成多个稳定的势阱,有利于杂质在链中聚集分布.此外,还研究了在较高浓度的掺杂条件下,共轭高聚物链内的杂质分布规律.结果显示,杂质倾向于在中心区形成高浓度分布,而在链端区,杂质更倾向于离散分布.该研究表明,高浓度掺杂下杂质分布具有稳定的特征,晶格形态对杂质分布具有显著的影响,这些结论可为实验上操控杂质在共轭高聚物中的分布提供一定的帮助.     

一种共轭聚合物单分子发色团吸收和发射特性动态演变过程的实时测量

利用频域信息重构的散焦宽场成像测量了Poly[2,7-(9,9-dioctylfluorene)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole](PFO-DBT)共轭聚合物单分子发色团的吸收与发射特性及其动态演变过程.通过调制用于激发共轭聚合物单分子的超短脉冲对的相对相位,对单分子荧光进行傅里叶变换的频域测量,跟踪发色团吸收偶极取向变化;通过测量散焦荧光成像光斑探测发色团发射偶极取向变化.研究发现, PFO-DBT共轭聚合物单分子发色团存在吸收和发射偶极取向均保持不变、其中之一变化以及两者同时变化三种情况.这种对共轭聚合物单分子发色团吸收和发射偶极取向演化过程的实时测量可用于分析共轭聚合物构象变化及其对能量转移过程的影响.     

一维铁磁/有机系统的基态与自旋分布研究

文中用一维紧束缚模型描述铁磁金属,用一维非简并的Su-Schrieffer -Heeger (SSH)模型描述共轭聚合物,研究了在一维铁磁/共轭聚合物系统和一维CMR材料/ 聚合物系统中的电子转移和自旋转移.发现在聚合物部分没有自旋的双极化子比有自旋的极化子具有较低的能量而容易产生.然而在铁磁CMR材料/聚合物系统中极化子的产生能低于聚合物中极化子的产生能,增加了有机物中自旋极化输运的可能性.     

新型联苯胺基窄带隙共轭聚合物的光学及电化学性能研究

随着化石燃料的日益枯竭,人类社会对能源的需求在不断增长。为了平衡能量应用需求并提升能量使用效率,开发高效能量转换材料与电化学储能材料成为当前研究的重要课题。导电聚合物基电极材料面临着相应储能器件能量密度、功率密度、循环性能不高的挑战,需进行结构改性提高电导率、改善界面性质。鉴于共轭高分子的电子结构、光学及电化学性质由共轭链骨架结构决定,对导电共轭聚合物进行结构修饰以提升其电荷传输性能和载流子迁移率,进而设计合成新型高迁移率导电聚合物基共轭聚合物是提高相应器件特性的关键所在。已有研究大多借助复杂的结构设计来实现提升迁移率,设计合成了结构简单,有助提升电荷迁移的新型窄带隙聚联苯胺基共轭聚合物聚物。通过光谱学及电化学方法对材料结构与性能进行了表征分析。采用核磁共振氢谱、红外光谱,X射线粉末衍射对单体及聚合物进行了结构表征,通过紫外光谱、紫外可见漫反射、循环伏安、计时电位、交流阻抗对其进行了光学及电化学性能测试。结果表明,成功制得具有预期结构的共轭聚合物,所得聚合物结晶性较佳,光学带隙Eopt_g为1.85 eV,HOMO及LUMO能级分别为-5.44和-3.59 eV,前者高于,后者则低于大部分文献值,呈现可同时促进p-型和n-型掺杂的结构特性,具备增强材料容纳电荷能力的性能优势。聚合物储能特性受化学结构、晶体结构及微观形貌综合影响。改善材料微观结构特性有助于提升其电子电导率,但层状致密块体形貌特征又使其离子电导率受限。电化学性能测试结果显示,聚合物具有一定电化学活性,具有较小的电荷转移阻抗,具备基本满足使离子顺利扩散的条件,0.05 A·g-1时的放电比电容达256.6 F·g-1。研究结果表明,制得的联苯胺基窄带隙共轭聚合物在光电转换、储能及微型电子器件中有广阔的应用前景。     

共轭聚合物中的量子限制效应和能量传递

在共混的两种共轭聚合物中,采用分子自级装技术制备了嵌段共轭聚合物量子线的异质结构,通过室温下吸收光谱、发光光谱和激姨光谱的研究证实了在这种嵌段共轭聚合物量子线的异质结构中存在很强的激子限制效应以及链内和链间的有效能量传递。     

芴-alt-咔唑类电磷光共聚物的发光性能

用共聚合方法将金属配合物引入共轭大分子链,使配合物之间的相互作用减少,有利于磷光体的均匀分散,增加在聚合物基体中的稳定性。将配合物引入共轭聚合物主链,在发光过程中主体链段既能将能量传递到客体,同时和配合物相邻的主体单元又能与配合物形成新的配体结构。共聚单元与配合物配体连接点的位置和键角的不同,影响聚合物的发光波长和发光效率。本文利用苯基异喹啉苯环上间位的溴将二(苯基异喹啉)乙酰丙酮合铱,通过Suzuki缩聚反应引入芴-咔唑交替共聚物主链,得到一种新型电磷光红光聚合物。聚合物器件的EL光谱发光波长为623nm,最大外量子效率为2.8%。     

共轭聚合物作为有机光电池电子受体的特性研究

以聚3-已基噻吩(P3HT)和聚对苯亚乙烯衍生物(MDMO-PPV)作为电子给体,聚 (TQ1)作为电子受体,制备并研究了聚合物给体/聚合物受体有机光伏电池性能。当给体P3HT、受体TQ1共混质量比为1∶1时,器件性能最佳。热处理会改变薄膜形貌,导致激子扩散到达界面的距离增加和激子分离界面数量下降,进而引起器件性能下降。溶剂效应对器件性能影响不明显。研究了相似能带结构给体聚合物对MDMD-PPV光电池性能的影响,发现结晶程度较低的给体材料会进一步导致器件性能降低。