本发明专利技术公开了一种基于硅-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件，是一种利用钴酞菁分子中的二价钴离子dz2轨道的态密度和R3-银/硅表面的S1表面态之间的共振所制备出来的一种单分子器件，其包括：源极、漏极、栅极、钴酞菁分子和隧穿层，其中：单个钴酞菁分子位于所述源极和所述漏极之间，所述钴酞菁分子的平面与所述源极和所述漏极之间的连线垂直，所述钴酞菁分子中的钴离子与所述源极接触；所述漏极与所述钴酞菁分子之间设有隧穿层。本发明专利技术同时还提供一种制备上述单分子负微分电阻效应器件的方法。该分子器件的负微分电阻效应很稳定，与衬底的掺杂种类和掺杂浓度无关，且该分子器件体积小，性能高，可以广泛应用在今后基于纳米材料的电子线路中。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电子器件
，尤其是ー种基于硅-分子复合体系的单分子负微分电阻效应(NDR,Negative Differential Resistance)器件及其制备方法,可用于高频的开关振荡器以及锁频电路等。
技术介绍
近几十年半导体器件已由最早的电子管发展至当今的大規模集成电路。但随着人们对信息处理的高速度、高容量需求，传统的半导体器件已经很难满足这些需求。因此，寻找更新、更稳定、更强大的电子器件已经成为电子信息技术迫切需要考虑和解决的问题。近些年的研究也发现ー些具有确定空间结构和电子结构的大分子具有特殊的电输运性质，而这类器件的出现将大大弥补基于半导体材料所设计出的器件的不足，有望成为下一代用于高性能电子线路的主要元器件。分子器件的种类很多，其中包括具有开关效应或者整流效应的分子器件。近些年虽然分子器件的性能在实验上得到很好的体现，但是距离实际的应用还有很多的瓶颈，主要包括在エ业制备上的困难，以及如何发展性能更多、稳定性更好的功能性分子器件。近些年来通过在硅表面组装有机分子构造所得到的分子器件具有很多优异的性质(參见又献 D.Vuillaume, Molecular Nanoelectronics.Proceedings of tne IEEE,2010,98,2111-2123)，然而当前这类硅-分子器件是通过单独考虑硅衬底或吸附分子的物理性质所设计制造的器件，其性能的稳定性易受外界的干扰。而本专利技术所涉及的分子器件正是将ニ者的物理性质相互结合所研制出的。基于负微分电阻效应制作出来的分子器件是比较有代表性的ー种(參见文献N.P.Guisinger et al.Room Temperature Negative Dm'erentialResistance tnroughIndividual Organic Molecules on Silicon Surfaces.NanoLetters,2004,4,55-59)。负微分电阻最早是在重掺杂的P_n结中发现(參见文献L.Esaki, New Phenomenon inNarrow Germanium p-n Junctions.Phys.Rev.1958,109,603-604),其 1-V 曲线表现为加正向电压吋，电流随着电压的増大而减小。在随后的几十年里，人们用基于多层纳米薄膜结构的材料发展出了一系列具有负微分电阻效应的纳米器件。而随着扫描隧道显微技术的发展，人们可以在原子或分子尺度下研究单个分子或团簇的负微分电阻效应。负微分电阻主要是在单隧穿层和双隧穿层系统中产生。在单隧穿层系统里，负微分电阻产生的原因主要是扫描隧道显微镜的针尖和样品中存在非常尖鋭的局域态密度所致，而针尖上的尖鋭态可以通过吸附分子或团簇实现(參见文献P.Bedrossian et al.Demonstration of thetunnel-diodeeffect on an atomic scale, Nature, 1989, 342, 258-260)。而双隧穿层系统较为复杂，需要使针尖和样品以及样品和衬底之间都存在隧穿层才可能导致负微分电阻效段(參见文献 T.Rakshit et al.Silicon-based MolecularElectronics Nano Letters,2004，4，1803-1807)，而本专利技术所涉及的分子器件正是利用第二种负微分电阻的产生机理所设计的。在制作该分子器件时，需要对裸露的硅表面进行钝化处理。桂(111)-VIx V1-银表面(简称R3-银/硅表面)便是其中ー种，它对吸附分子是呈化学惰性的。R3-银/硅表面在费米面附近存在三个表面态SI，S2，S3 (參见文献H.Aizawa etal.Asymmetric structure of theSi( I I I )- V3 X V3 -Ar surface, Surface Science, 1999,429，L509-L514)。SI带的底部位于费米面以下0.3eV，它与块体的掺杂类型和掺杂浓度是相同的，而费米面以上部分是弥散的，一般情况下会被电子填充，所以在空间-电荷层(SCL, Space-Charge Layer)中体内的能带会向上弯曲，如图2 (a)所示。S2/S3带位于费米面以下1.leV，其中SI带与S2/S3带之间存在ー个0.7eV的带隙。由于一般的S2/S3表面态与空间-电荷层的体能带相互影响，裸露的R3-银/硅表面可以观察到明显的负微分电阻效应。但这ー负微分电阻的出现受外界因素影响很大，如硅衬底的掺杂浓度，测量的温度等，如果直接利用这ー衬底则很难制备稳定的负微分电阻器件。而在R3-银/硅表面沉积钴酞菁分子后，利用表面的SI态与钴离子的dz2軌道共振，会产生很明显的负微分电阻效应，正是利用这一点本专利技术设计出ー种与衬底的掺杂浓度和掺杂类型无关的具有负微分电阻效应的杂化硅-分子器件。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的主要目的是利用负微分电阻的原理，提供ー种基于娃-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件及其制备方法。根据本专利技术的一方面，提供ー种基于硅-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件，包括:源极1、漏极2、栅极3、钴酞菁分子4和隧穿层5，其中:单个钴酞菁分子4位于所述源极I和所述漏极2之间，所述钴酞菁分子4的平面与所述源极I和所述漏极2之间的连线垂直，所述钴酞菁分子4中的钴离子与所述源极I接触；所述漏极2与所述钴酞菁分子4之间设有隧穿层5。根据本专利技术的另一方面，还提供一种基于娃-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件的制备方法，该方法包括:步骤SI，制备R3-银/硅表面衬底作为所述单分子负微分电阻效应器件的源极；步骤S2，在制备好的所述R3-银/硅表面上蒸发少量的钴酞菁分子，得到钴酞善-R3-银/娃表面；步骤S3，在所述步骤S2得到的钴酞菁-R3-银/硅表面上蒸发第一层氧化物，形成氧化层a ；步骤S4，在所述步骤S3得到的氧化层a上蒸发第二层氧化物，形成具有孔洞结构的氧化层b ；步骤S5，在所述氧化层a和所述氧化层b上制备漏极；步骤S8，在电输运性质较理想的单个钴酞菁分子两边刻蚀出用于制作栅极的孔洞，并在所述孔洞中制备栅极，从而最終得到单分子负微分电阻效应器件。本专利技术所提供的上述基于硅-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件的负微分电阻效应很稳定，与衬底的掺杂种类和掺杂浓度无关。由于本专利技术制作出的这类具有负微分电阻特性的单分子器件体积小，性能高，可以广泛地应用在今后的基于纳米材料的电子线路中。附图说明图1是本专利技术基于硅-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件的原理示意图；图2a是平衡位置时本专利技术单分子器件的能级图；图2b是负电压下本专利技术单分子器件的能级图；图2c是更高负电压下本专利技术单分子器件的能级图；图3是本专利技术单分子器件的制备方法流程图；图4是本专利技术实际组装后分子器件各部位的垂直结构示意图；图5是本专利技术实际组装后分子器件各部位的平面结构示意图；图6a是在R3-银/硅表面的钴酞菁分子的扫描隧道显微镜的形貌图及分子的结构示意图，左下角为放大的R3-银/硅表面的形貌图以及结构示意图；图6b是扫描隧道显微镜测量的单个钴酞菁分子在R3-本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于硅?分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件，其特征在于，该单分子负微分电阻效应器件包括：源极(1)、漏极(2)、栅极(3)、钴酞菁分子(4)和隧穿层(5)，其中：单个钴酞菁分子(4)位于所述源极(1)和所述漏极(2)之间，所述钴酞菁分子(4)的平面与所述源极(1)和所述漏极(2)的连线垂直，所述钴酞菁分子(4)中的钴离子与所述源极(1)接触；所述漏极(2)与所述钴酞菁分子(4)之间设有隧穿层(5)。
【技术特征摘要】
1.一种基于娃-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件，其特征在于，该单分子负微分电阻效应器件包括:源极(I)、漏极(2)、栅极(3)、钴酞菁分子(4)和隧穿层(5)，其中: 单个钴酞菁分子(4)位于所述源极(I)和所述漏极(2)之间，所述钴酞菁分子(4)的平面与所述源极(1)和所述漏极(2)的连线垂直，所述钴酞菁分子(4)中的钴离子与所述源极⑴接触； 所述漏极(2)与所述钴酞菁分子(4)之间设有隧穿层(5)。2.根据权利要求1所述的单分子负微分电阻效应器件，其特征在于，所述源极(I)使用R3-银/硅表面。3.根据权利要求2所述的单分子负微分电阻效应器件，其特征在于，所述单分子负微分电阻效应器件的负微分电阻效应是利用所述钴酞菁分子(4)中的ニ价钴离子dz2轨道的态密度和所述R3-银/硅表面的SI表面态之间的共振产生的。4.根据权利要求1所述的单分子负微分电阻效应器件，其特征在于，所述漏极(2)用金作为电极。5.根据权利要求1所述的单分子负微分电阻效应器件，其特征在于，所述栅极(3)与所述钴酞菁分子(4)的四个瓣间用高介电常数的氧化层隔开。6.一种基于娃-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件的制备方法，其特征在于，该方法包括: 步骤SI，制备R3-银/硅表面作为所述单分子负微分电阻效应器件的源极； 步骤S2，在制备好的所述R3-银/硅表面蒸发少量的钴酞菁分子，得到钴酞菁-R3-银/硅表面； 步骤S3，在所述步骤S2得到的钴酞菁-R3-银/硅表面上蒸发第一层氧化物，形成氧化/层 a ; 步骤S4，在所述步骤S3得到的氧化层a上蒸发第二层氧化物，形成具有孔洞结构的氧化层b ； 步骤S5，在所述氧化层a和所述氧化层b上制备漏极； 步骤S8，在电输运性质较理想的单个钴酞菁分子两边刻蚀出用于制作栅极的孔洞，并在所述孔洞中制备栅极，从而最終得到单分子负微分电阻效应器件。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步...
【专利技术属性】
技术研发人员：张汇，王炜华，纪永飞，王兵，侯建国，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：
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