一种动态分子基电子器件及其操作方法技术

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，具体涉及一种动态分子基电子器件及其简易实现方法。该器件由基底、底电极、真空间隙、有机单分子层膜和顶电极构成，这种结构的器件对基底电极的要求不高，基底电极材料的选择也可以更广泛。本发明专利技术提出的动态分子基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
，具体涉及一种动态分子基电子器件及其简易实现方法。
技术介绍
在前一个专利技术专利中，介绍了一种动态分子基电子器件，该器件的结构依次为绝缘基底、底电极、有机单分子层、真空间隙、顶电极等5部分。由于底电极还要用来吸附含巯基的有机分子层，因此只能选用金(Au)、铂(Pt)等贵金属材料，而一般的金属材料和无机物质(比如石墨)并不适合做底电极。该器件中的有机层制备方法很简单，但是必须预先制备含巯基的有机功能分子材料。(徐伟，一种，专利技术专利申请号200510111538.0)含巯基功能分子材料的制备通常都比较困难。在制作电子器件的同时，如果能兼顾到分子材料的来源问题，无疑是一种明智的策略。因此，以简单易得、结构稳定的有机化合物为原材料，通过在线操作程序，制备化学吸附的单分子层是化学工艺学研究中一直追求的目标之一。当然，前提条件是必须保证电子器件对分子层功能性质的要求。本专利技术为动态分子基电子器件的制作以及核心分子材料的来源提出一条新路。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种改进型的动态分子基电子器件。这种器件可以作为前一种动态分子基电子器件的补充，二者可以互补使用。本专利技术提出的改进型动态分子基电子器件，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，如图1所示。其中，底电极置于绝缘基底之上，有机分子层膜吸附在顶电极表面，真空间隙位于底电极和有机单分子层膜之间，间隙宽度为隧道距离或者稍大于隧道距离。这种动态分子基器件同样兼具开关和整流功能。在上述结构中，用做绝缘基底的材料可以是表面平整的云母片、载波片、石英片、单晶硅片、有机和聚合物薄膜以及无机盐晶体表面等。在上述结构中，底电极为表面平整的导电薄膜或者单晶表面，电极材料不受限制，可以是各种金属、无机或者氧化物导体(包括高定向热解石墨、ITO)。在上述结构中，有机单分子层采用化学工艺学方法制备，与金属顶电极表面通过化学吸附键合。在上述结构中，顶电极为探针形式，材料为铂铱合金(Pt-Ir)、铂(Pt)、金(Au)。电极形式可以为单个探针或多个探针装置，也可以采用金属纳米颗粒阵列或者通过得到的尖端或尖端阵列。本专利技术提出的分子电子器件，其有机单分子层吸附在探针尖端(顶电极)表面上。这种结构是前一个专利技术结构的改进，它可以克服许多技术上和应用方面存在的困难。一个实际体系的平整表面通常都存在纳米尺度的起伏，当含巯基的功能分子层在薄膜表面上吸附成膜后表面的起伏仍然存在。此外，即使对于单晶表面，有机分子在表面上吸附也是随机进行的，形成的单分子层在局部区域往往存在缺陷，缺陷处和连续平整区在工作条件下会有不同的电学特性，器件的电性能存在固有的不一致性。因此，在制备单分子层薄膜时，还需严格控制条件并且采用一些技巧来克服薄膜在纳米尺度的不一致性。探针的尖端在微观上看是一个凸起的表面，由于表面突起和小尺寸效应，在形成单分子层吸附膜时往往很容易，吸附时间也可以大大缩短，比如只需几分钟即可。在探针尖端上吸附有机功能分子，这种探针由于横截面的尺寸可以很小，在某些特定场合应用起来非常方便。比如当一个复杂的集成电路需要局部修补、更改或者需要添加一个开关或者二极管时，如果将整个电路系统浸入到溶液中来吸附有机分子层是不可能的，这会引起复杂甚至不可控的结果。相反，将一个尖端吸附有机分子的微小探针加入到原有的电路系统中，操作起来要简单得多。本专利技术提出的动态分子基器件其有机单分子层可以采用含1～3个末端巯基的功能分子材料，其中，分子材料的结构既含有长条形的π共轭刚性单元又含有柔性的或者可弯曲的部分。(见专利技术专利申请200510111538.0)本专利技术还提出另一种有机单分子层吸附膜，其分子材料采用含活性氢的有机胺衍生物。有机胺的结构中含有刚性的长条形的π共轭单元。该层膜可由含活性氢的有机胺与二硫化碳反应，再与顶电极表面通过化学吸附键合获得。含有活性氢的有机胺数量庞大，结构可以多种多样。本专利技术选用含活性氢的有机胺采用如下结构 其中的R为取代基，可以是硝基、氰基、三氟甲基、乙酰基、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有机胺优选下列化合物之一种(1)1-(4-硝基苯基)哌嗪，英文名称为1-(4-Nitrophenyl)piperazine分子结构如下式(A-1)所示 (2)1-(4-氰基苯基)哌嗪，英文名称为1-(4-Cyanophenyl)piperazine分子结构如下式(A-2)所示 (3)1-(4-乙酰基苯基)哌嗪，英文名称为4’-Piperazinoacetophenone或1-(4-Acetylphenyl)piperazine分子结构如下式(A-3)所示 (4)1-(4-((4-硝基苯基)二氮亚烯基)苯基)哌嗪，英文名称为1-(4-((4-nitrophenyl)diazenyl)phenyl)piperazine分子结构如下式(A-4)所示 (5)1-(4-((4-吡啶基)二氮亚烯基)苯基)哌嗪，英文名称为1-(4-((4-pyridyl)diazenyl)phenyl)piperazine分子结构如下式(A-5)所示 (6)1-(4-吡啶基)哌嗪，英文名称为1-(4-pyridyl)piperazine分子结构如下式(A-6)所示 上述这种有机胺在溶液中能够迅速和二硫化碳(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)。(Yan Zhao，et al.，Dithiocarbamate Assembly on Gold.J.Am.Chem.Soc.2005，1277328-7329)采用含活性氢的有机胺衍生物材料做起始原料，可以不用预先在功能分子材料中引入末端巯基。用于制备单分子层薄膜的溶液采用下述方法配制将有机胺衍生物溶于适当的有机溶剂中，加入等当量或者稍会过量的二硫化碳，将该溶液放置备用即可。有机溶剂采用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、硝基苯、四氢呋喃、二甲基亚砜(DMSO)、三乙胺、乙腈、氯仿、1，2-二氯乙烷、甲苯、氯苯、乙醇、丙酮之一种或者混合溶剂，具体视分子材料本身的结构而定。溶液浓度为1×10-7～1×10-3M。为了加速有机胺与二硫化碳反应，还可以在溶液中加入碱溶液，比如氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)等。本专利技术提出的有机胺与二硫化碳的反应式如下式所示 生成的(B)物种由于含有末端二硫代酸基，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。动态分子基电子器件的操作方法如下将项电极(如铂铱合金丝)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，将吸附有机单分子层膜的顶电极和底电极与外接电路的正负极连接，利用步进马达将底电极和吸附有有机分子的顶电极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，底电极置于绝缘基底之上，有机分子层膜吸附在顶电极表面，真空间隙位于底电极和有机单分子层膜之间，间隙宽度为隧道距离或者稍大于隧道距离。

【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]