【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微纳电子学器件的制备领域，具体涉及一种稳定、动态可调的机械互锁分子器件及其制备、控制方法和在超分子电子器件、信息存储材料和逻辑电路等中的应用。
技术介绍
1、随着超分子化学、纳米化学、信息科学、半导体科学、器件极端制造等领域的不断发展与交叉融合，将非共价作用集成于纳米器件中，实现人工分子机器的构筑对未来信息处理、防伪传感、生物靶向治疗、智能合成都将产生深远的影响。
2、近年来，随着单分子电子学的逐步发展，已经实现了很多基于小分子结构的分子开关器件、整流器件以及存储器件等。然而这些器件在稳定性和开关性能方面仍然存在需要显著改善的地方。超分子化学中非共价相互作用形成的器件具有很好的动态可调性以及卓越的开关性能，是构筑稳定分子尺度纳米器件的良好策略。早期提出的基于非共价相互作用的分子机器是一类可以将化学能转变为动能并驱动其定向运动的一类分子的总称，它的驱动方式有多种，比如引入光、电、力等诱导其发生构象翻转或者平移运动，并且这种运动是定向可控的，因此具有对外做功的能力。
3、目前已经报道的人工合成分子机器主要包括分子马达，分子梭，互锁分子等，这些分子机器在外部刺激下可以实现定向、可控的运动，因此可以应用于各个领域，比如生物相兼容的分子马达可以实现药物的靶向递送；通过外部电压驱动分子梭可以实现可逆稳定的开关切换，具有应用到逻辑电路的潜力等等。值得注意的是，在这些人工合成分子机器中，基于机械互锁结构的分子机器由于性质稳定的拓扑结构和稳定可控的分子内运动，吸引了化学、纳米科学、电子信息学等领域专家的注意。
4、公开号为cn114989288a的专利说明书公开了一种基于分子机器的纳米驱动的传感装置及其构筑策略。该分子机器的纳米驱动与传感装置及其制备方法通过在肌球蛋白尾部锚定可定量测量肌球蛋白受力的dna发卡结构，使其可以成为一种兼具线性分子马达驱动与dna发卡力学传感功能的分子机器，解决了目前分子马达无法同步实现力学传感的问题，构筑了基于分子马达纳米驱动与传感装置。
5、公开号为cn113444079a的专利说明书公开了一种在酸性和碱性条件下冠醚结构的位置差异以及根据体系内酸碱性变化产生的冠醚结构的运动，从而导致萘酰亚胺荧光强度的变化，实现酸碱程度的检测。另外，该专利技术所述的分子机器具有三联吡啶结构，其可与金属离子发生配位效应，而配位效应带来的内滤效应又可进一步使萘酰亚胺的荧光发生淬灭，根据不同金属离子带来的荧光淬灭能力的不同，还可以同步实现对金属离子的识别与检测。
6、公开号为cn103539790a的专利说明书公开了一种萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器及基于其的ph计。该ph计包括金电极以及吸附在金电极表面形成的自组装单分子层(所述萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器)。该专利技术通过合成一种萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器，利用二硫键与金电极实现结合，在加入酸或碱的过程中导致分子机器在金电极上发生电荷的转移，从而实现ph值的在线快速监测。
7、人工合成具有刺激响应性的分子机器是构筑纳米机器的重要方法，然而如何在单个分子尺度将人工合成、具有刺激响应的机械互锁分子集成于电路中、如何高精度操纵该分子机器实现对刺激的精确响应并且维持稳定、卓越的器件性能仍然是一片空白。
技术实现思路
1、针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本专利技术提供了一种稳定、动态可调的机械互锁分子器件，具备电极/分子/电极的三明治结构，具备性能稳定、高开关比等优势。本专利技术首创利用机械互锁分子的机械键相互作用，实现稳定、动态可调的基于机械互锁结构的分子器件构筑，不同的机械键相互作用强度带来的电学性质存在显著差异，在本专利技术中体现为可达103量级的电导差异。
2、一种稳定、动态可调的机械互锁分子器件，包括基底电极、针状电极和锚定在两个所述电极间的机械互锁结构的分子；
3、所述机械互锁结构的分子(或称“互锁分子”)由两个存在可动态调节的机械键相互作用的大环分子macro-a和macro-b构成，其中大环分子macro-a由a1、l1、m1和l2连接成环，大环分子macro-b由a2、l3、m2和l4连接成环，具体结构如下：
4、
5、其中：
6、l1、l2、l3、l4分别独立选自取代或未取代的链状醚、链状噻吩或联苯；
7、a1、a2分别独立带有可与所述基底电极、所述针状电极形成化学键或者配位键的锚定基团；
8、m1、m2分别独立选自取代或未取代的全碳稠环结构、邻菲啰啉结构或六氢吡咯并吲哚结构。
9、本专利技术分子器件无需外界的化学、光学刺激与其他辅助分子的参与，只需通过反复的机械拉伸和压缩连接有互锁分子的针状电极即可改变macro-a和macro-b环状分子间的距离，从而改变形成机械键的核心结构macro-a和macro-b之间非共价相互作用的强度。而这种弱相互作用的强度改变将对器件电学性质产生显著差异，从而形成稳定、动态可调的机械互锁分子器件并具有电极/catenane互锁分子/电极的三明治构型特征的分子器件。最终，在该器件的基础上，通过机械外力的操纵，实现具有不同电输运能力的状态可逆切换，同时所述的稳定、动态可调的机械互锁分子器件可在较高振荡频率下仍然保持良好的器件寿命和开关比。
10、在所述稳定、动态可调的机械互锁分子器件中，两个大环分子macro-a和macro-b为机械互锁结构的核心功能结构，由两个大环分子macro-a和macro-b构成，大环分子macro-a和macro-b之间由于机械键的存在，在电子传输过程中扮演着重要的桥梁作用，并且随着机械外力对针尖的拉伸和压缩，与针尖-基底相连的互锁分子其机械键的相互作用强度会发生相应的改变。当拉伸针尖电极时，两个环状分子macro-a和macro-b间的相互作用强度较弱，电子的传输概率较低，分子器件为“关(off)”状态，即低电导态；当压缩针尖电极时，两个环状分子macro-a和macro-b间的相互作用强度较强，电子的传输概率较高，分子器件为“开(on)”状态，即高电导态。
11、所述的稳定、动态可调的机械互锁分子器件，所述基底电极、所述针状电极的材料可分别独立选自au、ag或pt；所述锚定基团为可与au、ag和/或pt形成化学键或者配位键的基团，具体可为—nh2、—nh—、—sh、—s—、—c≡n、吡啶基团、—c≡ch或共轭的联苯体系；其中所述共轭的联苯体系包括芘、蒽、萘、富勒烯等。
12、在一优选例中，所述的稳定、动态可调的机械互锁分子器件，l1、l2、l3、l4分别独立选自取代或未取代的链状醚，m1、m2分别独立选自取代或未取代的邻菲啰啉结构。
13、在一优选例中，所述的基底电极为au，所述的针状电极为au。因为au在空气中稳定不易氧化，在高温条件下流动性能本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种稳定、动态可调的机械互锁分子器件，其特征在于，包括基底电极、针状电极和锚定在两个所述电极间的机械互锁结构的分子；
2.根据权利要求1所述的稳定、动态可调的机械互锁分子器件，其特征在于，所述基底电极、所述针状电极的材料分别独立选自Au、Ag或Pt；
3.根据权利要求1或2所述的稳定、动态可调的机械互锁分子器件的制备方法，其特征在于，将所述机械互锁结构的分子的溶液悬滴于所述基底电极的表面，待溶液挥发干后，在所述基底电极的表面形成一层包含所述机械互锁结构的分子的薄膜分子层，将所述针状电极靠近组装有所述薄膜分子层的基底电极，使所述薄膜分子层上的锚定基团与所述针状电极形成化学键或者配位键而实现锚定。
4.根据权利要求3所述的稳定、动态可调的机械互锁分子器件的制备方法，其特征在于，所述机械互锁结构的分子的溶液的溶剂为氘代氯仿、二氯甲烷、四氯化碳、三氯苯、三氯甲苯、乙腈、癸烷中的至少一种；
5.根据权利要求1或2所述的稳定、动态可调的机械互锁分子器件的控制方法，其特征在于，调节所述针状电极和所述基底电极间的距离，改变所述机械互锁结构的分子
6.根据权利要求5所述的稳定、动态可调的机械互锁分子器件的控制方法，其特征在于，通过在所述针状电极上施加电压方波，使所述针状电极以特定频率沿垂直于所述基底电极的方向振荡，以调节所述针状电极和所述基底电极间的距离；
7.根据权利要求1或2所述的稳定、动态可调的机械互锁分子器件在超分子电子器件、信息存储材料、逻辑电路中的应用。
8.根据权利要求7所述的稳定、动态可调的机械互锁分子器件在超分子电子器件、信息存储材料、逻辑电路中的应用，其特征在于，所述稳定、动态可调的机械互锁分子器件作为开关使用；
9.具有式(I)所示结构的互锁分子：
10.根据权利要求9所述的具有式(I)所示结构的互锁分子的制备方法，其特征在于，合成路线如下：
...【技术特征摘要】
1.一种稳定、动态可调的机械互锁分子器件，其特征在于，包括基底电极、针状电极和锚定在两个所述电极间的机械互锁结构的分子；
2.根据权利要求1所述的稳定、动态可调的机械互锁分子器件，其特征在于，所述基底电极、所述针状电极的材料分别独立选自au、ag或pt；
3.根据权利要求1或2所述的稳定、动态可调的机械互锁分子器件的制备方法，其特征在于，将所述机械互锁结构的分子的溶液悬滴于所述基底电极的表面，待溶液挥发干后，在所述基底电极的表面形成一层包含所述机械互锁结构的分子的薄膜分子层，将所述针状电极靠近组装有所述薄膜分子层的基底电极，使所述薄膜分子层上的锚定基团与所述针状电极形成化学键或者配位键而实现锚定。
4.根据权利要求3所述的稳定、动态可调的机械互锁分子器件的制备方法，其特征在于，所述机械互锁结构的分子的溶液的溶剂为氘代氯仿、二氯甲烷、四氯化碳、三氯苯、三氯甲苯、乙腈、癸烷中的至少一种；
5.根据权利要求1或2所述的稳定、动态可调的机械互锁分子器件的控制方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈洪亮，周萍，付彦君，
申请(专利权)人：浙江大学杭州国际科创中心，
类型：发明
国别省市：
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