单分子电子器件制造技术

本发明专利技术提供了一种单分子电子器件，它包含具有至少一个势垒绝缘基团的分子二极管，所述绝缘基团化学连接在一对分子环结构之间，形成二极管的两个部分，其中一个部分与至少一个掺杂基团化学相连；该单分子电子器件还包含一个分子栅结构，该结构化学连接于二极管的一个部分上，影响由至少一个掺杂基团形成的本征偏压。这样制成的器件可用作分子电子晶体管，它同时具有开关作用和功率增益。通过将另一个绝缘基团加到二极管的另一个部分上，可以形成电阻，从而确立了显示反相器功能或者非门功能的输出端。所述非门可化学连接于分子二极管－二极管逻辑结构上，形成具有复杂布尔功能和功率增益的单分子。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
专利
本专利技术意在提供一种单分子电子器件。具体言之，本专利技术意在提供一种单分子晶体管和用分子晶体管提供开关操作和功率增益的单分子数字逻辑结构。更具体言之，本专利技术意在给分子二极管加上一个分子栅结构，其中所述二极管也经过了化学掺杂。所述分子栅结构是通过另一个绝缘基团与邻近于相应的掺杂基团的分子二极管键合而形成的，所述掺杂基团受外加到所述栅结构上的电势影响。将一导电配位体键合到这第二个绝缘基团上，使它能利用外加电压进行充电，从而影响二极管的本征偏压，由此控制器件的“开”和“关”。更进一步说，本专利技术意在提供一种分子晶体管，其中控制开关所需的功率大大低于被开关的功率，因此所述晶体管显示出功率的增益。本专利技术还涉及由单分子二极管-二极管逻辑电路与具有功率增益的单分子反相器组合构建的单分子逻辑门。已有技术在过去四十年里，随着电子计算机的基础亚单元——晶体管体积的缩小，它的功能越来越强大。可是，量子力学原理和制造技术上的限制很快就会妨碍今天的常规场效应晶体管在尺寸上继续减小。很多研究者预计，在未来的10到15年里，随着大批量生产的晶体管的最小特征尺寸从现在的约100-250纳米线宽进一步减小，器件制造将变得更加困难，成本也将更高。此外，它们在超高密度集成电路中也很难再有效发挥其功能。为了使电路元件继续微小化到纳米级甚至分子级，研究人员已经着手为超高密度电路探索若干种替代固态晶体管的途经。但是，与今天以宏观物质中大量电子的移动为基础运行的FET不同，新器件利用了发生在纳米量级上的量子力学现象。有两大类纳米电子开关和放大器(1)固态量子效应和单电子器件；(2)分子电子器件。这两类器件都利用了开始在纳米量级上控制电子动力学的各种量子效应。尽管固态量子效应和单电子器件的设计新颖，研究者已经能够在50年宏观半导体工业经验的基础上开发、制造几个前景可观的新型器件，并应用于电路中。这种固态量子效应器件改变了超微电子开关的工作原理，但它们依然具有难解的问题，即它们所依赖的纳米级结构必须从无定型或晶态固体“雕刻”出来。分子电子学是一个比较新的方法，它能同时改变电子器件的工作原理和所用材料。作这种带根本性改变的动机是分子本身就是纳米级结构。不像由大块固体制造的纳米结构，制成的分子是相同的，而且其制备廉价而方便，这正是超高密度计算机的工业规模生产所需要的。有待攻克的两个重要挑战是(1)设计可用作具有功率增益功能的电子开关的分子结构，(2)将这些分子组装成计算和控制用途所需要的更复杂的电路结构，并且在这些用途中提供增益，使得这样制成的器件具有可付诸应用的“扇出”功能。众所周知，二极管是双端开关，能使电流处于“接通”或“断开”的状态。新近开发的两类分子量级电子二极管是(1)整流二极管，(2)共振隧道二极管。这两类二极管都依靠外加偏压驱使电子在外加电势达到预定大小时通过一个或多个势垒。已经开发了一种分子共振隧道二极管(RTD)，它以一定方式利用了能量的量子化，使得二极管源极和漏极接点之间的偏压大小能够“打开”和“关闭”由源极流向漏极的电流。附图说明图1A所示为James M.Tour合成，Mark A.Reed于1997年阐释的分子共振隧道二极管。从结构和功能上看，该器件是类似于大得多的固态RTD的分子，所述固态RTD是过去10年大量生产的III-V半导体。基于分子导线骨架，如图1A所示，Reed和Tour的聚亚苯基分子RTD 11’是通过把两个脂肪性亚甲基基团16’插入单苯环13’任一边的分子导线12中而制备的。由于脂族基团16’的绝缘性质，它们对于电子流动起着势垒30和32的作用，如能量图1B和1C所示。脂族基团使它们之间的苯环13’成为约0.5纳米宽的狭“岛”，而电子必须通过此“岛”才能穿过该分子导线全程。如图1B所示，如果分子上的偏压产生了具有动能的输入电子，而该动能不同于岛上势阱内未占量子能级的能量，那么电流是不会形成的，RTD就“切断了”。但是，如果调整偏压，使输入电子的动能等于一个内部能级的能量，如图1C所示，那么势阱外电子的能量据称能与势阱内允许能量发生共振。在此情况下，电流就能流过该器件，这被称作“接通”状态。法国专利公开#2306531介绍了一种可用于放大的分子开关器件。导体通过其环间相邻的双连接或双键的链形成，并且在两个消散区域封端。不过，所述文献中的器件的工作原理大体上类似于体效应半导体，而不是只有在单个分子中才能实现的效应，例如，能为外加电势所逆转的至少一种掺杂的效应。PCT公开#WO97/36333介绍了一种利用控制电极来控制在器件输入端和输出端之间流动的隧道电流的隧道器件。该器件基于可控相关电子隧穿的原理。该文献还建议用这种器件建立单电子逻辑电路。专利技术概述本专利技术提供了一种单分子电子器件，它包含多条通过至少一个绝缘基团化学连接在一起的分子导线。所述多条分子导线中的至少一条与所述掺杂取代基化学相连，形成绝缘基团上的本征偏压。第二个绝缘基团与连接在所述掺杂取代基上的分子导线化学连接。一个导电配位体化学连接到此第二个绝缘基团上，形成具有功率增益功能的单个分子。使第二个绝缘体充分接近于掺杂取代基，以便通过加在导电配位体上的电势影响本征偏压。本专利技术单分子电子器件的形式可以是反相器电路，其中第三个绝缘基团化学连接到所述多条导线的第二条上，并且有多个连在一起的芳环结构化学连接到所述第三个绝缘基团上。从另一个角度看，本专利技术意在提供一种具有功率增益功能的单分子电子器件。所述单分子电子器件包含至少一条分子导线，所述导线包含多个连在一起的基本上相同的芳环结构。键合在一对相应芳环结构之间的至少一个第一绝缘基团将分子导线分成了两个部分，第一个部分与第一电接点连接，第二部分与第二电接点连接。对此两个部分中的至少一个部分进行掺杂，形成电子给体部位和电子受体部位中的至少一个。一个分子栅结构化学连接到所述第一和第二部分中的一个部分上，充分接近于掺杂基团，以便通过加在栅结构上的电势影响所述第一和第二部分间通过掺杂基团形成的本征偏压。所述分子栅结构连接到第三个接点上，以便连接到外加电源上。从又一个角度看，本专利技术意在提供一种包含基于聚亚苯基的导线的单分子晶体管，所述导线具有多个连在一起的分子环结构和至少一个键合于一对相应分子环结构之间，将导线分成两个部分的绝缘基团。所述单分子晶体管还包含一个键合到所述导线一个部分的至少一个分子环结构上的第一掺杂基团，以形成一个相应的电子给体部位。键合到另一部分的至少一个分子环结构上的第二掺杂基团形成电子受体部位。第二绝缘基团化学连接到靠近第一和第二掺杂基团之一的位置上，而导电配位体键合到第二绝缘基团上，往其上耦合电荷，以改变所述第一和第二掺杂基团形成的本征偏压。再从另外一个角度看，本专利技术意在提供一种由分子二极管形成的单分子电子器件，所述分子二极管至少具有一个势垒绝缘基团，它化学连接于一对分子环结构之间，形成二极管的两个部分。至少一个掺杂基团化学连接于二极管这两个部分中的一个。分子栅结构化学连接于二极管的一个部分上，而在该部分上化学连接有至少一个掺杂基团，以影响由至少一个掺杂基团形成的本征偏压。因此，本专利技术的一个目的是提供具有功率增益功能的单分子开关器件。本专利技术的另一个目的是在掺杂分子二极管上加上一个栅结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单分子电子器件，其特征在于它包含多条与至少一个绝缘基团化学连接在一起的分子导线，所述多条分子导线中的至少一条通过化学方法与所述掺杂取代基相连，形成绝缘基团上的本征偏压，第二个绝缘基团与至少一条分子导线化学相连，而导电配位体化学连接到所述第二个绝缘基团上，形成具有功率增益功能的单个分子，所述第二个绝缘基团充分接近于所述掺杂取代基，从而以施加在所述导电配位体上的电势影响本征偏压。

【技术特征摘要】
1.一种单分子电子器件，其特征在于它包含多条与至少一个绝缘基团化学连接在一起的分子导线，所述多条分子导线中的至少一条通过化学方法与所述掺杂取代基相连，形成绝缘基团上的本征偏压，第二个绝缘基团与至少一条分子导线化学相连，而导电配位体化学连接到所述第二个绝缘基团上，形成具有功率增益功能的单个分子，所述第二个绝缘基团充分接近于所述掺杂取代基，从而以施加在所述导电配位体上的电势影响本征偏压。2.权利要求1所述单分子电子器件，其特征在于它还包含化学连接于所述多条导线中的第二条的第三绝缘基团和化学连接于所述第三绝缘基团的多个连在一起的芳环结构，形成反相器电路输出。3.具有功率增益的单分子电子器件，其特征在于它包含至少一根含有多个相连且基本上相同的芳环结构的分子导线；至少一个键合于一对所述芳环结构之间的第一绝缘基团，从而构成所述分子导线的两个部分，所述第一个部分与第一电接点连接，所述第二部分与第二电接点连接；对所述第一和第二部分中的至少一个部分进行掺杂的结构，以形成电子给体部位和电子受体部位中的至少一个；化学连接到所述第一和第二部分中的一个部分上的分子栅结构，使之充分接近于所述掺杂结构，以便利用加在所述分子栅结构上的电势通过所述掺杂结构影响所述第一和第二部分间的本征偏压，所述分子栅结构连接于第三个接点上，以便连接到所述电势的源极上。4.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述掺杂结构至少包含一个选自电子给体基团和电子受体基团的基团，所述电子给体基团和电子受体基团化学连接于所述第一和第二部分中的一个部分上。5.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述掺杂结构包含至少一个化学连接于所述第一部分上的电子给体基团和至少一个连接于所述第二部分上的电子受体基团。6.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述掺杂结构包含选自电子给体基团和电子受体基团的多个基团，所述多个基团化学连接于所述第一和第二部分中的至少一个部分上。7.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述绝缘基团选自饱和脂肪族桥接基团或就电子传输而言脂肪性显著的基团。8.如权利要求7所述单分子电子器件，其特征在于所述饱和脂肪族桥接基团选自亚甲基-CH2-、σ键二亚甲基-CH2CH2-及其它们更长的链。9.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述分子导线包含多个乙炔间隔基团，它们各自位于所述芳环结构之间，使一个芳环结构与另一个相连。10.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述至少一条分子导线是基于聚亚苯基的分子导线。11.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述绝缘基团选自在所述至少一条分子导线中对电子传输构成势垒的基团。12.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述分子栅结构包含化学连接于邻近所述掺杂结构的所述第一和第二部分中至少一个部分上的第二绝缘基团，以及化学连接于所述第二绝缘基团和所述第三接点之间的导电配位体。13.如权利要求12所述单分子电子器件，其特征在于所述第二绝缘基团选自饱和脂肪族桥接基团或就电子传输而言脂肪性显著的基团。14.如权利要求4所述单分子电子器件，其特征在于所述栅结构包含化学连接于所述第一和第二部分中的一个部分上的第二绝缘基团和以及化学连接于所述第二绝缘基团和所述第三接点之间的导电配位体。15.如权利要求14所述单分子电子器件，其特征在于它还包含化学连接于所述第一和第二部分中的另一部分上的第三绝缘基团，以及多个化学连接于所述第三绝缘基团与第四接点之间的连在一起的芳环结构，从而形成布尔逻辑功能。16.如权利要求15所述单分子电子器件，其特征在于所述布尔逻辑功能为非功能。17.单分子晶体管，其特征在于它包含具有多个连在一起的分子环结构的基于聚亚苯基的导线；至少一个键合于一对所述分子环结构之间以形成导线两个部分的绝缘基团；键合于所述第一部分的至少一个分子环结构上以形成一个相应电子给体部位的第一掺杂基团；键合于所述第二部分的至少一个分子环结构上以形成相应电子受体部位的第二掺杂基团；化学连接于所述第一和第二掺杂基团之一附近的第二绝缘基团；键合于所述第二绝缘基团上的导电配位体，用来连接一个通向它的电荷，以改变所述第一和第二掺杂基团形成的本征偏压。18.具有如下结构式的单分子晶体管 其中α是芳环，R是饱和脂肪族基团，R’是饱和...

【专利技术属性】
技术研发人员：JC埃伦博根，
申请(专利权)人：迈脱有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]