分子電子學(xué)的發(fā)展

分子在金屬電極之間相互結(jié)合，電荷從一端轉(zhuǎn)移到另一端。電子在不同方向上傳輸產(chǎn)生電流，既沒有產(chǎn)生也沒有破壞化學(xué)鍵。分子聯(lián)結(jié)可以闡述電子通過電極之間所包含的電子簇進(jìn)行傳輸。?

基于聯(lián)結(jié)斷裂技術(shù)拉伸形成的單分子聯(lián)結(jié)示意圖如圖，聯(lián)結(jié)斷裂技術(shù)可以產(chǎn)生單獨(dú)的分子聯(lián)結(jié)。當(dāng)金屬兩極受拉，能量較弱點(diǎn)破裂，分子附著于兩端，形成分子聯(lián)結(jié)。左右兩端之間存在能帶結(jié)構(gòu)，但能帶結(jié)構(gòu)對于兩端之間的中心分子簇而言是非連續(xù)的。1.分子集成電路元件分子晶體管晶體管能夠通過控制實(shí)際電壓來調(diào)整電流，包含三個(gè)端口；其中兩個(gè)作為源頭端和流出端，第三個(gè)作為柵極使用。電子從源頭端流入，流向流出端，其過程可以通過柵極進(jìn)行調(diào)控。一種名為輪烷的特殊分子能夠起到分子開關(guān)的作用，它根據(jù)所施電壓改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電導(dǎo)系數(shù)。當(dāng)施加電壓時(shí)，輪烷分子的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生改變，類似開關(guān)ON/OFF。另一種獲得晶體管作用的方法是利用構(gòu)象自由度。為了阻止電子從分子流向金屬電極，分子可以偏離接觸，或通過扭轉(zhuǎn)破壞共軛鍵。利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分子器件是一個(gè)極其困難的過程；大多數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證都是利用隧道掃描顯微鏡（STM）獲得電導(dǎo)率等相關(guān)信息。改變金屬原子原有的分子結(jié)構(gòu)及晶格位置可以增強(qiáng)電子傳輸。單電子晶體管（SETs）具有功耗低、操作模式快等優(yōu)點(diǎn)。增加或者減少單個(gè)電子可以將導(dǎo)電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍?dǎo)電狀態(tài)。利用Coulomb阻滯效應(yīng)可以通過每次僅影響一個(gè)電子的方式來控制單電子。Kondo效應(yīng)是另一個(gè)重要的現(xiàn)象。當(dāng)存在磁性雜質(zhì)時(shí)，導(dǎo)電電子將會(huì)在金屬中散射，將會(huì)引起電阻率隨溫度變化。當(dāng)非磁金屬中一個(gè)磁性原子和許多電子之間發(fā)生相互作用時(shí)，這種現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。Kondo阻滯效應(yīng)已經(jīng)證明能夠阻礙電導(dǎo)，通過施加反向柵極電壓操縱隧道電流。分子二極管分子二極管有兩種基本類型：整流二極管與諧振隧穿二極管(RTDs)。分子二極管能提供電子基團(tuán)和接受電子基團(tuán)。當(dāng)提供電子基團(tuán)時(shí)，電子密度很高；而接受電子基團(tuán)時(shí)，電子密度很低。對于整流效應(yīng)來說，結(jié)構(gòu)需要高度對稱，以便顯示正向和反向偏壓之間的物理變化。整流二極管包括供體π系統(tǒng)和受體π系統(tǒng)，通過σ鍵隧道橋連接在一起。利用這個(gè)設(shè)計(jì)，LUMO和HOMO對齊，使其僅在一個(gè)方向上導(dǎo)電，類似于二極管的作用。引入σ電子系為供體和受體基團(tuán)之間提供了絕緣屏障。在諧振隧穿二極管中，電子能夠以不同的能級(jí)來隧穿諧振狀態(tài)。這些二極管可以用作振蕩器和開關(guān)。對于二極管平滑聯(lián)續(xù)的工作狀態(tài)，諧振隧穿二極管已被證明是高功能集成電路的合格備選。分子電容器電容連接電源時(shí)會(huì)儲(chǔ)存電荷。儲(chǔ)存于電容器中的電荷具有1或0兩個(gè)狀態(tài)。因此，可以利用分子電容器的概念來開發(fā)分子儲(chǔ)存器。為了儲(chǔ)存電荷，每個(gè)儲(chǔ)存單元包含了大約1×106個(gè)分子的單分子層。電荷可以存儲(chǔ)在表現(xiàn)出氧化還原反應(yīng)的分子中。電化學(xué)雙層電容器（EDLC）在電極/電解質(zhì)處存儲(chǔ)電荷。因電容儲(chǔ)存電荷的能力直接取決于儲(chǔ)存電荷的面積，故應(yīng)使用較高的橫切截面區(qū)域和較小的分離。電容存儲(chǔ)電荷的能力同樣和孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。Coulomb阻滯效應(yīng)和Kondo效應(yīng)進(jìn)一步探究如何俘獲電子，并最終利用它們作為分子電容器。分子絕緣體絕緣體在需要控制或限制電流流過電子器件或集成電路的情況下非常重要。當(dāng)涉及分子絕緣體時(shí)，可以使用帶有特定官能團(tuán)的分子。脂肪類有機(jī)分子則是分子絕緣體中最好的例子，其中只有σ鍵可以利用，在施加電壓存在時(shí)將會(huì)導(dǎo)致電流終斷。在電極之間插入這些分子，可以輕易地破壞其導(dǎo)電路徑。關(guān)于能帶理論，由于電子-電子之間的相互作用，某些固定材料被當(dāng)作絕緣體使用；這些材料被稱為Mott絕緣體。直鏈烴類是優(yōu)良的分子絕緣體。為了獲得非線性電流-電壓特性，研究人員開發(fā)了摻雜絕緣體的分子半導(dǎo)體（MSDI）異質(zhì)構(gòu)。在電子器件制造中不可避免地會(huì)出現(xiàn)絕緣體，有必要發(fā)現(xiàn)和識(shí)別更多自裝配可控分子絕緣體。分子導(dǎo)線分子導(dǎo)線在分子電子學(xué)中極其重要，可分為兩類：飽和鏈和共軛鏈。飽和分子中，原子與單鍵直接相連。烷烴是最簡單的飽和烴類。然而，由于它們最高分子占據(jù)能量軌道和最低分子未占據(jù)能量軌道之差大，被認(rèn)為是導(dǎo)電性能欠佳的導(dǎo)體。在共軛分子中，原子通過交替的單雙鍵連結(jié)在一起。這些分子具有比烷烴小的最高分子占據(jù)能量軌道和最低分子未占據(jù)能量軌道之差，并且對電子遠(yuǎn)距離傳輸非常有效。電子元件尺寸縮小之前，碳和鋁主要用于電子元件之間連接。緊接著出現(xiàn)了量子導(dǎo)線的概念，即其為由量子效應(yīng)控制著傳輸機(jī)制的導(dǎo)電線。碳納米管是量子導(dǎo)線廣泛應(yīng)用的材料，并且單壁碳納米管的特性使其成為分子導(dǎo)線制備的完美備選材料。分子導(dǎo)線可以使信號(hào)在兩個(gè)端子之間傳遞，目的是將激發(fā)的能量或電荷從一個(gè)單元轉(zhuǎn)移到另一個(gè)單元。2.適用于分子器件的分子推動(dòng)分子電子學(xué)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素就是找到適合可用的分子。大量分子已被研究并確定適用于制備分子器件，其中，烴類已經(jīng)廣泛使用。苯具有很大潛力，適用于模擬芳香族π體系的相互作用。這種系統(tǒng)能夠?qū)ⅵ须娮咏Y(jié)合在一起形成離域電子云，形成圓環(huán)，導(dǎo)致共振混合，從而使電流傳輸更加容易。分子器件中使用最為廣泛的分子是低聚亞苯基乙炔（OPE）、低聚苯乙烯（OPV）和低聚噻吩（OT）。另一個(gè)適于制備分子基器件的重要分子就是脫氧核糖核酸（DNA）。經(jīng)過對DNA進(jìn)行了大量研究，DNA在分子電子學(xué)中的潛在應(yīng)用價(jià)值已十分明顯。3.石墨烯：分子電子學(xué)的新型襯底石墨烯是由SP2雜化而成的二維蜂窩晶格，其六邊形晶格包含兩個(gè)等價(jià)的碳原子亞晶格。碳原子間的距離為1.42?，平面結(jié)構(gòu)中原子間均存在強(qiáng)鍵。石墨烯是一種零重疊的半金屬，其孔和電子都是電荷載體。石墨烯最重要的性質(zhì)就是高導(dǎo)電性和其固有強(qiáng)度。石墨烯層與層之間具有嚴(yán)格的界限，從而產(chǎn)生了很強(qiáng)的化學(xué)鍵，電子可以超過2×106cm2V-1s-1的移動(dòng)速率在石墨烯層間移動(dòng)。石墨烯被認(rèn)為是分子聯(lián)結(jié)電極的理想備選材料。4.分子電子學(xué)的研究趨勢分子電子學(xué)中亟待解決的兩個(gè)主要問題就是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和可控制造。為了填補(bǔ)相關(guān)分子的固態(tài)分子器件的綜合設(shè)計(jì)和工業(yè)實(shí)現(xiàn)的差距，對于分子器件合理建模必須實(shí)現(xiàn)魯棒性、有效性。分子電子學(xué)另一個(gè)新興研究趨勢是在微觀層面上制冷和在熱流領(lǐng)域的應(yīng)用。因?yàn)楣杓夹g(shù)無法進(jìn)一步縮小到分子