分子电子学
分子电子学
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【器件介绍】
【相关技术】
【设想展望】
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【简介】
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1cm2 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 ] .
【器件介绍】
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Π共轭体系的有机分子长链. Tour 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.
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Π共轭体系的卟啉环是构造分子导线的理想单元. Anderson 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STM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STM 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SAM,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.
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. Collier 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.
分子整流器与场效应晶体管
可以说分子电子学的起源便是1974 年Aviram和Ratner 关于分子整流器设想的提出[11 ] . 他们描述了由有机电子给体和受体桥连而成的分子耦合在两个金属电极之间时,其I - V 曲线与通常的电子整流器相类似. 1993 年,Ashwell 等人利用LB 膜技术以有机材料做成只有几个分子厚的薄层,能像整流器那样,只允许电流单方向流动,并从实验上证明了这种整流器的本质来源于分子作用[12 ] . 中科院化学所刘云圻等合成了一系列含有电子给体( - NH2 , - t -butyl 等) 和电子受体( - NO2 ,CN 等) 的不对称酞菁,将它们组装为LB 膜,并利用STM 技术测量了它们的I - V 曲线[13 ,14 ] ,证实了该类单酞菁分子也具有整流器的性质.场效应晶体管(FET) 可以说是计算机中最关键的元器件,它不仅具备开关的功能,还必须具备增益的功能,以维持电路中电信号正常的电平. 但是,由于场效应晶体管需要有三个终端,所以很难将器件做到分子水平. 人们首先在碳纳米管方面获得了突破,制成了由单个碳纳米管构成的场效应管[15 ] ,进而随着电极制作技术的发展[16 ] ,人们又制成了由单个C60分子构成的场效应管[17 ] ,最近,又有两例单分子场效应管见诸报道[18 ,19 ] . 这两则报道之一描述了一个中心离子为Co 的配合物分子连接在两个相隔1～2 nm 的金电极之间构成的场效应管,另一则报道则是一个含有两个V 离子的配合物分子连接在两个金电极之间构成的. 这两种场效应管都可以通过调节门电极的电压改变导电机理,从而改变电导率.
分子电路
分子电子学最大的难题就是如何将分子器件组装为逻辑电路并与宏观世界相连接. 纳米管和纳米线由于它们的长度相对较长因而比较容易进行组装,所以人们首先用纳米线和纳米管成功组装了有一定复杂程度的逻辑电路[20 ,21 ] . 进而,人们组装了包含有机分子的逻辑电路. 这种可以作为存储器的电路[22 ]使用了微流体技术. 使用这种技术可以得到由多根纳米管组成的平行阵列,然后在这一层纳米管上面可以附上一层具有分子开关功能的单分子膜,再用微流体技术在垂直于底层纳米管的方向上沉积一层纳米管. 这样,在每一个上下两根纳米管的交叉点上都有一束有机分子将两根纳米管连在一起. 所用的有机分子可以用作分子开关,整个器件便可以用作可进行寻址的存储器.
[编辑本段]【相关技术】
分子电子学的蓬勃发展,离不开一系列新技术的发展,这其中包括分子自组装技术、微流体技术、电场辅助组装技术、纳米电极制作技术等等.
分子自组装技术
目前,在分子电子学领域,大多数有机分子同电极的连接都是通过自组装过程来完成的. 自组装单分子膜特别是巯基分子在金电极表面形成的自组装单分子膜在分子电子学的研究中起着重要的作用,未来的分子计算机最有可能的实现方式也是通过分子自组装. 然而,分子自组装虽然可以提供大范围的有序结构,可是却会存在很多结构缺陷. 即使在一个生长完好的自组装分子列阵里面,缺陷的密度也会达到(1～5) % ,这意味着将有(50～90) %的区域是不可用的[1 ] . 用这样一种技术来组装分子计算机,可靠性会令人满意吗? Heath 等人提出的高容错计算机的概念打消了人们的顾虑[23 ] . 这种计算机通过提高通讯带宽来提高容错能力. 由于分子芯片
允许在1cm2 的面积上集成1014个分子,所以即使用10 个分子来完成一个器件的功能,仍然在1cm2 的面积之内有1013个器件,集成度比当前使用计算机还是要高出许多倍.
微流体技术
微流体技术用来组装纳米管和纳米线的平行列阵有着成本低廉、设备简单、操作方便等诸多优点,是发展中国家进行相关研究的首选. 其原理是纳米管和纳米线悬浮在流体之中并随其一起流动时,其取向将会与流体流动的方向趋于一致,当流动停止时纳米管、线就会沉积下来形成平行的列阵.
电场辅助组装技术
当悬浮在溶液中的纳米线置于电场中的时候,会产生极化并平行于电场的方向取向,如果产生电场的两电极之间的距离恰好匹配于纳米线的长度,纳米线就会被吸附并跨接在两电极之间. 应用这种技术,哈佛大学的一个研究小组组装了号称世界上最小的发光二极管[25 ] . 如果将这种技术应用于有机分子,必将能够开拓一片全新的天地.
纳米电极制作技术
用精度最高的电子刻蚀技术,也仅能得到10 nm的电极间距,这个距离对于单分子来说还是太大了.应用一种叫做电迁移[16 ]的技术与电子刻蚀技术相结合,可以得到1nm 左右的电极间距. 这种技术,先用电子刻蚀技术制作两个相互接触的电极,然后在两电极之间加上一个强的电压,这样电流就会在两电极的接触点打开一个1nm 左右的缺口,从而可以得到同单分子的长度相匹配的电极间距.
[编辑本段]【设想展望】
虽然分子电子学取得了如此重大的进展,可是稳定可靠的分子计算机距离我们还是相当遥远的,在我们面前还有相当长的一段路要走. 但是利用现有的技术将分子电子学应用到现实中来,还是有可能的. 例如,结合电子刻蚀技术和电场辅助组装技术就有可能实现基于单分子的太阳能电池. 首先,用电子刻蚀技术制作如图3 所示的电极间距足够小的平面插指电极,然后利用电场辅助组装技术将一种分子长度足够大的具有光致分子内电荷转移性质的有机分子定向排列在电极“手指”之间,并与之相连,这样便可制成一种太阳能转换装置. 当该装置受到阳光照射时,其中的有机分子发生电荷分离,由于所有的分子都是定向排列的,所以大量的分子电荷分离所产生的效果被集中起来,从而可以在两梳状电极之间产生电势差.
