一种基于局域阳离子调控的可逆单分子开关制造技术

本发明专利技术公开一种基于局域阳离子调控的可逆单分子开关，属于分子电子学技术领域。本发明专利技术基于电化学扫描隧道显微镜裂结技术，通过控制电位改变界面双电层中局域阳离子的分布，从而影响羧酸分子状态，以此调节羧酸分子与金针尖的接触作用，实现单分子开关；所述电位为

【技术实现步骤摘要】
一种基于局域阳离子调控的可逆单分子开关


[0001]本专利技术属于分子电子学
，具体涉及一种基于局域阳离子调控的可逆单分子开关。

技术介绍

[0002]随着对电子器件微型化需求的不断增加，使用化学性质相同的分子作为功能元件已经成为纳米科学的一个蓬勃发展的分支领域。由于分子开关在信息存储、逻辑数据处理和信号处理中起着关键作用，因此构建可靠的分子开关是重要的一步。在过去的三十年里，设计单分子开关的常用方法是使用具有刺激
‑
响应的分子骨架，利用外部刺激如光、力学、pH值、化学反应物、磁和电，通过改变分子构象或者自旋/氧化还原状态。然而，这通常需要复杂的有机合成来获得具有刺激响应分子骨架，目前这种方式分子开关报道的开/关比较小，且大多数外部刺激方法不能应用于全电驱动的电路组件。另一方面，分子
‑
金属接触作用也可以显著影响电子传输。在保持分子主干不变的情况下原位控制分子
‑
电极接触作用充满挑战，电化学方法可以利用施加电位有效地改变电极表面的电荷状态，调节界面双电层离子的分布，进而影响羧基与金属电极的相互作用。基于此，通过电化学调节电极界面双电层中外亥姆霍兹层的局部离子类型，来控制电极与羧酸分子连接，这为实现可逆的高性能单分子开关提供了一种新的思路。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种基于局域阳离子调控的可逆单分子开关，通过电位调控电极界面外亥姆霍兹层中离子类型，从而控制分子与针尖间接触作用达到电导值突变，实现单分子开关。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提出如下技术方案：
[0005]一种基于局域阳离子(Na
+
，K
+
，Ca
2+
，Mg
2+
)调控的可逆单分子开关，基于电化学扫描隧道显微镜裂结技术(EC
‑
STM
‑
BJ)，以金属金为基底，以含有羧基的化合物为目标分子，通过控制电位改变界面双电层中局域阳离子的分布，从而影响羧酸分子状态，以此调节羧酸分子与金针尖的接触作用，实现单分子开关；
[0006]所述电位为
‑
0.5
‑
0V。
[0007]进一步地，含有羧酸分子的溶液是以4
‑
甲硫基苯甲酸为目标分子在高氯酸盐水溶液中配制而成，溶液中阳离子为Na
+
、K
+
、Ca
2+
或Mg
2+
。
[0008]进一步地，所述金的纯度≥99.999％。
[0009]本专利技术还提供一种所述的基于局域阳离子调控的可逆单分子开关的制备方法，基于电化学扫描隧道显微镜裂结技术，以金属金为基底，以含有羧基的化合物为目标分子，通过控制电位改变界面双电层中局域阳离子的分布，从而影响组装在金基底上的羧酸分子状态，以此调节羧酸分子与金针尖的接触作用，实现单分子开关；所述电位为
‑
0.5
‑
0V。
[0010]进一步地，所述基于局域阳离子调控的可逆单分子开关的制备方法具体如下：
[0011]在电解池底部安装金基底，在扫描隧道显微镜(STM)的扫描头上插入金针尖，以金(111)基底为工作电极，以铂为对电极和参比电极，将含有羧酸分子的溶液倒入电解池中，分别控制电位为
‑
0.5V和0V，待整个装置稳定时开始测试；
[0012]设置扫描隧道显微镜偏压为50mV，控制金针尖逼近金(111)基底达到预设的电流值8nA，再施加一个脉冲电压让针尖与基底软接触后以20nm/s的速度远离金基底，再此期间采样卡以20kH收集电导
‑
距离曲线。循环上述过程数千次即可得到打大量的的电导
‑
距离曲线用于绘制一维电导统计图，进而得到单分子结电导值。通过两个电位间循环跳跃达到分子与金针尖间通断路，实现稳定的单分子开关，即得到基于局域阳离子调控的可逆单分子开关。
[0013]本专利技术主要流程为：
[0014](1)通过控制压电陶瓷使针尖不断逼近金基底，达到预设的电流值8nA之后再往前伸一段距离保证金针尖与金基底接触，然后针尖就会远离基底，在远离的过程中，针尖与基底会形成原子接触，而随着撤回的距离不断增大，接触的原子会越来越少，最后变成单原子接触，在这一过程中记录下电导
‑
距离曲线，可以观察到电导台阶的出现，最后再对收集的曲线进行统计处理。
[0015](2)利用溶液中分子含有与金成键的锚定基团，能够形成金属
‑
分子
‑
金属结，一开始可能有大量的分子连接在两端金电极上，随着压电陶瓷控制金针尖远离金基底，连接在两端金电极上的分子会逐渐变成三个分子、两个分子、一个分子直到最后完全断裂，在这一过程中记录下电导随着距离变化的曲线，并能明显观察到电导台阶。将收集到的电导
‑
距离曲线经过统计分析，绘制成一维电导图，并通过高斯拟合就能得到单分子结的电导值。当溶液中不含待测分子则观察不到电导台阶和电导峰。在该方法中需指出：一、被研究分子必须能与两端金属成键；二、被研究分子性质必须为羧酸类分子。
[0016](3)在不同电位下，重复步骤(2)可以获得大量的数据。不同电位时电极界面双电层的外亥姆霍兹层中离子分布不同，低于零电荷电位(PZC)时局域在电极表面的阳离子会与分子的羧酸基团有较强的配位作用，从而抑制羧酸分子与金针尖作用；而高于PZC时羧酸去质子化，所形成的
‑
COO
‑
与金有较强的作用，从而可以形成分子结。因此通过控制电位在
‑
0.5V，发现没有单分子结电导峰出现；而在0V可以观测到明显的电导峰。在两个电位循环，可以实现电导峰的可逆变化，实现单分子结电导的“开”“关”功能，且该单分子开关具有很好的稳定性和巨大的开关比。
[0017]本专利技术还提供一种所述的基于局域阳离子调控的可逆单分子开关在信息存储、逻辑数据处理和信号处理中的应用。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0019]本专利技术以EC
‑
STM
‑
BJ技术为核心，基于施加电位改变双电层局域阳离子的分布来调节羧酸分子的状态，从而影响羧酸基团与金针尖的作用来实现控制电子传输通路。同时此方法所用到的分子简单容易获得，本专利技术证实了电化学界面局域阳离子对羧基分子的影响，为通过栅电极实现可逆单分子开关实际应用开辟了新的途径。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]图1为本专利技术实验装置的结构示意图；
[0022]图2为本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于局域阳离子调控的可逆单分子开关，其特征在于，基于电化学扫描隧道显微镜裂结技术，以金属金为基底，以含有羧基的化合物为目标分子，通过控制电位改变界面双电层中局域阳离子的分布，从而影响羧酸分子状态，以此调节羧酸分子与金针尖的接触作用，实现单分子开关；所述电位为
‑
0.5
‑
0V。2.根据权利要求1所述的基于局域阳离子调控的可逆单分子开关，其特征在于，所述阳离子包括Na
+
、K
+
、Ca
2+
或Mg
2+
。3.根据权利要求1所述的基于局域阳离子调控的可逆单分子开关，其特征在于，所述金的纯度≥99.999％。4.一种如权利要求1
‑
3任一项所述的基于局域阳离子调控的可逆单分子开关的制备方法，其特征在于，基于电化学扫描隧道显微镜裂结技术，以金属金为基底，以含有羧基的化合物为目标分子，通过控制电位...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚浩，郑菊芳，童凌，周小顺，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：