基于肼衍生物分子材料的动态分子基电子器件及其制备方法、操作方法和应用技术

本发明专利技术属于分子电子器件和纳米机电系统技术领域，具体涉及一种基于肼衍生物分子材料的动态分子基电子器件。本发明专利技术采用简单易得的芳香肼衍生物材料来制作动态分子基电子器件中的单分子层吸附膜。该器件用正反向偏置电压来实现开关功能和整流功能，在信息处理和逻辑运算中有广泛用途。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于分子电子器件和纳米机电系统
，具体涉及一种基于肼衍生物分子材料的动态分子基电子器件。
技术介绍
在前二个专利技术专利中，分别介绍了二种动态分子基电子器件第一种器件的结构依次由绝缘基底、底电极、有机单分子层、真空间隙、顶电极等5部分构成；第二种为改进型结构，依次由绝缘基底、底电极、真空间隙、有机单分子层、顶电极等5部分构成。其中，用于制作有机单分子层膜的分子材料采用含1～3个末端巯基的分子材料，或者采用含活性氢的有机胺衍生物材料。这二种类型的器件结构和操作方法在信息处理和逻辑运算、纳米机电系统以及分子马达的构建领域有广泛的应用价值。(徐伟，一种动态分子基电子器件及其操作方法，专利技术专利申请号200510111538.0；徐伟，动态分子基电子器件及其操作方法，专利技术专利申请号200510111832.1)分子基电子器件和分子基纳米机电系统的功能特征不仅与器件或系统的构造和构建方式有关，还与分子材料本身的结构和物理化学性质有关。不同类型、甚至不同结构细节的分子材料对器件或者系统的性能也有不同程度的影响，因此可以用不同结构的分子材料来调制器件的性能。功能电子器件在不同场合需要有多种性能来满足多方面的需求。在器件和系统的结构得到确定以后，开发出不同种类、不同结构特征的分子材料是后续研究和技术开发的核心工作之一。本专利技术提出新一类分子功能材料，可用于制作动态分子基电子器件中的单分子层吸附膜。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种新的动态分子基电子器件，以满足功能电子器件在不同场合的需要。本专利技术提出的动态分子基电子器件，可采用第一种类型的结构(依次由绝缘基底、底电极、有机单分子层、真空间隙、顶电极等5部分构成)；或者采用改进型结构(依次由绝缘基底、底电极、真空间隙、有机单分子层、顶电极等5部分构成)，如图1所示。本专利技术提出用于制备动态分子基电子器件中的单分子层膜材料采用肼衍生物分子材料。肼衍生物的结构中含有长条形的π共轭刚性单元，或者含有扁平形的π共轭刚性单元。本专利技术提出肼衍生物分子材料采用芳香肼有机化合物，其结构如下所示 其中，R1和R2为氢原子、甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基或叔丁基，R1和R2可以相同，也可以不同；R3为硝基、氰基、三氟甲基、氟原子、氯原子、4-吡啶基乙烯基、4-吡啶基二氮亚烯基、4-硝基苯基乙烯基、4-硝基苯基二氮亚烯基、4-氰基苯基乙烯基、4-氰基苯基二氮亚烯基、4-吡啶基、4-硝基苯基、4-氰基苯基之一种。根据上述结构通式，用于动态分子基电子器件的芳香肼衍生物可优选下列化合物之一种(1)4-硝基苯肼，英文名称为4-Nitrophenylhydrazine分子结构如下式(A-1)所示 (2)1-甲基-2-(4-硝基苯基)肼，英文名称为1-Methyl-2-(4-nitrophenyl)hydrazine分子结构如下式(A-2)所示 (3)1-乙基-2-(4-硝基苯基)肼，英文名称为1-Ethyl-2-(4-nitrophenyl)hydrazine分子结构如下式(A-3)所示 (4)1-甲基-1-(4-硝基苯基)肼，英文名称为1-Methyl-1-(4-nitrophenyl)hydrazine分子结构如下式(A-4)所示 (5)1，2-二甲基-1-(4-硝基苯基)肼英文名称为1，2-Dimethyl-1-(4-nitrophenyl)hydrazine分子结构如下式(A-5)所示 (6)4-三氟甲基苯肼，英文名称为4-(Trifluoromethyl)phenylhydrazine分子结构如下式(A-6)所示 (7)4-氰基苯肼，英文名称为4-Cyanophenylhydrazine分子结构如下式(A-7)所示 (8)4-氯苯肼，英文名称为4-Chlorophenylhydrazine分子结构如下式(A-8)所示 (9)1-(4-吡啶基)肼，英文名称为l-(4-Pyridyl)hydrazine分子结构如下式(A-9)所示 (10)(3，4-二氯苯基)肼，英文名称为(3，4-Dichlorophenyl)hydrazine分子结构如下式(A-10)所示 上述这类肼衍生物分子能够和二硫化碳(CS2)反应，生成二硫代氨基甲酸(dithiocarbamic acid)或者二硫代氨基甲酸盐(dithiocarbamate)，类似有机胺与二硫化碳反应。(徐伟，动态分子基电子器件及其操作方法，专利技术专利申请号200510111832.1)由于反应产物含有末端二硫代羧酸基，能够和贵金属(比如铂和金)形成超强的化学吸附。因此，可以用非常简单的溶液吸附方法来制备单分子层薄膜。本专利技术器件的制备方法，主要是上述有机单分子膜的制备，具体如下由芳香肼分子与二硫化碳在溶液中反应，再与顶电极表面通过化学吸附键合。用于制备单分子层薄膜的溶液采用下述方法配制将肼衍生物分子材料溶于适当的有机溶剂中，加入等当量或者稍过量的二硫化碳，再加入有机碱(比如三乙胺、吡啶)或者无机碱溶液(比如氢氧化钠、氢氧化钾)，将该溶液放置备用。有机溶剂采用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、硝基苯、吡啶、四氢呋喃、二甲基亚砜(DMSO)、三乙胺、水、乙醇、丙酮之一种或者混合溶剂。溶液浓度为1×10-7～1×10-3M。动态分子基电子器件的具体操作如下(以图1所示的改进型器件结构为例)将铂铱合金丝的尖端部分浸入用前述方法配制的溶液中，几分钟后取出，用大量溶剂洗涤，再干燥。然后，利用步进马达将平整的导电基底和吸附有有机分子的合金丝尖端调到隧道距离或者比一般的隧道距离稍大，将距离锁定。也可以直接使用扫描隧道显微镜(STM)系统进行操作。再利用正偏置和负偏置的外加电信号来实现分子基电子器件的开关功能和整流功能。本专利技术提出的肼衍生物分子材料与二硫化碳反应后，通过二硫代羧酸基与金属电极表面形成化学吸附。吸附层中的分子可以采取斜置(亦称“斜躺”)或者近似“站立”状态。由于肼中的氮-氮(N-N)键在电场作用下还可以旋转，共轭单元部分的取向可以作相应的变化，包括“躺”和“站”状态的转换，或者“弯曲”和“伸展”状态的转换。分子状态和分子本身电子特性的改变导致隧道条件下器件的表观电阻值发生明显的改变，从而使电子器件表现出开关特征和整流特征。采用本专利技术提出的肼衍生物分子材料来制作动态分子基电子器件中单分子层吸附膜，器件的电特性响应可以类似前一个专利技术专利中给出的电流-电压(I-V)曲线(见专利技术专利申请200510111832.1)；或者如图2所示的(I-V)曲线。具体的电特性曲线与所用分子材料的结构、分子膜的制作工艺以及隧道条件下的工作状态有关。本专利技术提出的分子材料其结构非常简单，分子材料来源充足，有利于实际应用。附图说明图1本专利技术采用的改进型动态分子基电子器件的结构。图2动态分子基电子器件典型的电流-电压(I-V)特性曲线。其中，横轴为电压轴，单位采用毫伏(mV)；纵轴为电流轴，单位采用纳安(nA)。图中标号1为基底；2为底电极；3为真空间隙；4为单分子层有机薄膜；5为尖端形式的顶电极，已做放大处理。具体实施例方式下面以化合物(A-1)为例，进一步描述本专利技术将化合物(A-1)和二硫化碳加入到DMF中，然后加入稍过量的氢氧化钠，配制浓度为1×1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态分子基电子器件，其特征在于由绝缘基底、底电极、真空间隙、有机单分子层膜和顶电极５部分组成；其中，吸附在顶电极上的有机单分子层膜的材料为肼衍生物分子材料，该肼衍生物的结构中含有长条形的π共轭刚性单元，或者含有扁平形的π共轭刚性单元。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐伟，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]