分子電子學(xué)材料課件

1、 分子電子學(xué)是指用有機(jī)功能材料的分子構(gòu)筑電子線路和各種元器件，如分子開(kāi)關(guān)、分子整流器、分子晶體管等，并測(cè)量和解析這些分子尺度元器件的電特性或光特性的一門(mén)學(xué)科。 20世紀(jì)是無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的世紀(jì)，21世紀(jì)將是有機(jī)分子電子學(xué)的世紀(jì)?？茖W(xué)家們根據(jù)摩爾定律預(yù)測(cè)，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展，將在2020年左右達(dá)到極限。隨著人類(lèi)進(jìn)入信息時(shí)代，電子技術(shù)要求器件和系統(tǒng)向“更小”“更快”“更冷”的方向發(fā)展什么是分子電子學(xué) “更小”指器件和電路的尺寸更小 “更快”指響應(yīng)和操作速度更快 “更冷”指單個(gè)器件的功耗更小。 但近年來(lái)，人們?cè)谙颉案　卑l(fā)展的過(guò)程中遇到了較大困難。以硅集成電路為例，國(guó)際上已能生產(chǎn)最小線寬為130納米

2、的電路，但在進(jìn)一步發(fā)展到線寬小于100納米以下的電路（即所謂“納米電子器件”）時(shí)就會(huì)遇到兩大困難. 一是由于這一尺寸無(wú)法使用光刻技術(shù)因?yàn)樗堰h(yuǎn)遠(yuǎn)小于光刻技術(shù)中所用光束的波長(zhǎng)，而且掩膜和硅片的平整度及兩者的平行度也成為工藝方面的瓶頸 二是工藝設(shè)備和研發(fā)的投資可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于回報(bào)，因?yàn)楦鶕?jù)摩爾第二定律，這種成本隨器件尺寸的減小呈指數(shù)增長(zhǎng)。如果能在一個(gè)有機(jī)分子的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的控制，使分子聚集體構(gòu)成有特殊功能的器件分子器件，則完全有望突破摩爾定律，極大地提高電路的集成度與計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。因此，科學(xué)家將注意力逐漸集中到分子學(xué)，也是很自然的事情。 分子電子學(xué)研究的基本問(wèn)題大體上可分為兩類(lèi): 分子器件

3、和分子材料。 分子器件主要研究分子導(dǎo)線、分子開(kāi)關(guān)、分子整流器、分子存儲(chǔ)器、分子電路、分子電子芯片等，與傳統(tǒng)的固體器件相比，分子器件具有很多優(yōu)點(diǎn)。1、分子電子芯片的尺寸比目前的硅芯片小3個(gè)數(shù)量級(jí)2、一個(gè)同樣體積的分子芯片具有比通常芯片高出幾百萬(wàn)倍的計(jì)算能力3、在不明顯增加成本的前提下，由于集成度的提高，計(jì)算速度也會(huì)大大提高。而通過(guò)自組裝方式構(gòu)造分子器件，可成功解決有機(jī)功能分子與界面的接觸問(wèn)題及分子電子學(xué)研究的基本問(wèn)題 分子材料主要研究哪些材料能夠用于制作分子器件、材料的制備方法及性能測(cè)試等。 這兩類(lèi)基本問(wèn)題是相輔相成、密不可分的。如何將分子材料與分子器件的研究有機(jī)結(jié)合，并協(xié)調(diào)發(fā)展，是分子電子學(xué)研

4、究的精髓，也是推動(dòng)分子電子學(xué)發(fā)展的核心動(dòng)力。界面接觸導(dǎo)致的測(cè)量誤差。 為了解決這些問(wèn)題，在功能材料的末端，可有目的地引入一些用于自組裝的功能性基團(tuán)，通過(guò)自組裝使材料與電極通過(guò)化學(xué)健接觸而非機(jī)械接觸結(jié)合。因此，自組裝技術(shù)近年來(lái)在分子器件研究中得到越來(lái)越廣泛的重視。 依據(jù)分子器件構(gòu)筑過(guò)程當(dāng)中的驅(qū)動(dòng)力是靠外因還是靠?jī)?nèi)因，可將分子器件分為兩類(lèi)，即人工組裝分子器件與自組裝分子器件。 人工組裝分子器件是按照人們的意志，利用物理和化學(xué)方法，人工地將分子尺度的物質(zhì)單元組裝、排列，構(gòu)成分子器件。人工組裝所用的裝配工具是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的掃描隧道顯微鏡，它的最大優(yōu)點(diǎn)是在組裝過(guò)程中可以加入人工設(shè)計(jì)，但因?yàn)閮x器所限，大

5、規(guī)模、高效率、低成本的直接組裝仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。 自組裝本身就是生物系統(tǒng)中相當(dāng)普遍的現(xiàn)象，如DNA的合成，RNA的轉(zhuǎn)錄、調(diào)控及蛋白質(zhì)的合成與折疊等。構(gòu)筑分子器件人工組裝與自組裝分子開(kāi)關(guān) 分子開(kāi)關(guān)是指用電雙穩(wěn)材料（對(duì)材料兩端施加電壓，當(dāng)電場(chǎng)達(dá)到某一閾值時(shí)，該材料可由高阻態(tài)轉(zhuǎn)為低阻態(tài)；若再通過(guò)某種能量激勵(lì)，如反向電場(chǎng)或電流脈沖，又可使材料從低阻態(tài)恢復(fù)到高阻態(tài)。在沒(méi)有外加刺激時(shí)，兩種狀態(tài)均能穩(wěn)定存在。）制成的具有雙穩(wěn)態(tài)特性的量子化體系。當(dāng)外界光、電、熱、磁、酸堿度等條件變化時(shí)，分子的形狀、化學(xué)健的生成或斷裂、振動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)等性質(zhì)會(huì)隨之變化，通過(guò)這些幾何和化學(xué)的變化，分子可以在兩種分子器件掃描狀態(tài)之間可逆轉(zhuǎn)

6、換，兩種狀態(tài)由于電阻值高低不同而對(duì)應(yīng)于電路的通斷，從而實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)墓δ?。分子開(kāi)關(guān)最新進(jìn)展 1.磁性分子開(kāi)關(guān)磁性分子開(kāi)關(guān)是由具有自旋互變性質(zhì)的基團(tuán)或小分子配置在適當(dāng)?shù)某肿咏Y(jié)構(gòu)中形成的。在外加條件的作用下，該核心部位的電子在分子軌道中的能級(jí)排布會(huì)發(fā)生變化，使單電子的數(shù)目發(fā)生改變，以改變分子的磁性。最近迅速發(fā)展的分子強(qiáng)磁性的研究就是這一方面的代表 。有研究人員最近合成了具有光致變色性質(zhì)的二芳基烯Diarylethene)磁性分子開(kāi)關(guān)。磁性分子開(kāi)關(guān)2.光控分子開(kāi)關(guān)光控分子開(kāi)關(guān)的基本要求是雙穩(wěn)態(tài)，即兩個(gè)不同形式的分子通過(guò)外部光的刺激可以相互轉(zhuǎn)換?？梢钥闯?，上例中的磁性分子開(kāi)關(guān)亦可歸入光控分子開(kāi)關(guān)的范

7、疇。除此之外，以下再簡(jiǎn)要介紹基于幾種不同原理的光控分子開(kāi)關(guān)。（1）基于光誘導(dǎo)分子構(gòu)型變化機(jī)理的開(kāi)關(guān)一些平面型的有機(jī)分子在吸收一定的光時(shí)，構(gòu)型會(huì)發(fā)生改變。例如：配合物Ru(NH3)52(-cpi)（cpi = 1 -（ 4 - 氰基苯基）咪唑）荷蘭格羅尼大學(xué)的研究人員則是利用不同波長(zhǎng)的光來(lái)使分子的構(gòu)型發(fā)生重排來(lái)達(dá)到開(kāi)關(guān)的目的。但這種光致重排的反應(yīng)機(jī)理目前尚在研究之中。迄今為止，設(shè)計(jì)得最巧妙的結(jié)構(gòu)當(dāng)屬 Slxl和 Higelin 所設(shè)計(jì)合成的N-鄰羥亞芐基苯胺光控分子開(kāi)關(guān)。N-鄰羥亞芐基苯胺具有光致重排的性質(zhì)。如果將多聚乙炔鏈（正在研究中的導(dǎo)電塑料）與N-鄰羥亞芐基苯胺相連，不難看出，如下圖左邊，

8、即當(dāng)分子處于基態(tài)時(shí)，與鄰羥亞芐基直接相連的多聚乙炔鏈的共軛體系為單鍵，雙鍵相間的連續(xù)傳導(dǎo)系統(tǒng)，即分子開(kāi)關(guān)呈開(kāi)啟狀態(tài)；而在下圖右邊，開(kāi)關(guān)分子處于光致激發(fā)狀態(tài)；多聚乙炔鏈的共軛體系發(fā)生間斷，從而使傳導(dǎo)功能終止。此時(shí)，分子開(kāi)關(guān)呈關(guān)閉狀態(tài)。這里所使用的“導(dǎo)線”和“開(kāi)關(guān)”無(wú)疑使分子器件計(jì)算機(jī)的制造成為可能。（2）通過(guò)光激發(fā)分子或分子體系內(nèi)電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致材料的物理性能的變化 與上述變化相比，這類(lèi)開(kāi)關(guān)并不通過(guò)分子構(gòu)象的變化，因此響應(yīng)時(shí)間更加快。而且沒(méi)有構(gòu)象變化就意味著單程轉(zhuǎn)化且沒(méi)有副反應(yīng)發(fā)生，從而有很好的抗疲勞度和更多的循環(huán)次數(shù)。具體分子設(shè)計(jì)是選擇光敏性染料作為電子給體或電子受體，按一定方向連接，就會(huì)形成光誘

9、導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳遞。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與植物光合作用的電子傳遞鏈極其相似。但是在分子設(shè)計(jì)上存在著如何形成能滿足工作條件的雙穩(wěn)態(tài)，如何使兩種穩(wěn)態(tài)的光學(xué)性質(zhì)明顯不同等問(wèn)題。研究人員找到了給體光分子開(kāi)關(guān)苝四酰二亞胺，這個(gè)分子開(kāi)關(guān)的速度是其他類(lèi)型的分子開(kāi)關(guān)的 10-100 倍，研究人員對(duì)它進(jìn)行了 8600 萬(wàn)次的檢驗(yàn)沒(méi)發(fā)現(xiàn)它失靈。（見(jiàn)下圖）另一組研究人員研究了如下圖所示的化合物，在紫外光(UV ultraviolet)作用下脫去CN負(fù)離子，同時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（形成了碳正離子，鍵角被拉大），從而帶動(dòng)兩個(gè)配合體，使二者之間距離增大并釋放金屬離子，而當(dāng)紫外光照射停止時(shí)，CN負(fù)離子又與碳正離子結(jié)合，

10、可以使夾心化合物又夾住金屬離子，從而實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的功能。此外，雷恩等研究人員研究出的一種分子能以三種狀態(tài)存在（見(jiàn)下圖），第一種是無(wú)色的開(kāi)狀態(tài)（左）；第二種是深藍(lán)色的關(guān)狀態(tài)（中）。第一和第二種結(jié)構(gòu)均屬雙酚類(lèi)物質(zhì)，其變化的核心在于分子中部的一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)。強(qiáng)紫外光照射可以使環(huán)閉合，使?fàn)顟B(tài)一變?yōu)闋顟B(tài)二，而藍(lán)色可見(jiàn)光可以逆轉(zhuǎn)這個(gè)過(guò)程；另外，處于關(guān)狀態(tài)的雙酚還可通過(guò)加735 毫伏電壓轉(zhuǎn)化成紫色的醌（右），這時(shí)分子不受光的影響，但加180毫伏反向電壓可以使分子回到第二種狀態(tài)。這表明此分子可以通過(guò)光電兩種方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，表明可以用兩種形式來(lái)儲(chǔ)存信息。無(wú)色的開(kāi)狀態(tài)深藍(lán)色的關(guān)狀態(tài)紫色的醌研究發(fā)現(xiàn)分子開(kāi)關(guān)控制果蠅交配

11、一個(gè)分子開(kāi)關(guān)使得雌果蠅拒絕交配，轉(zhuǎn)而專(zhuān)心產(chǎn)卵 生物分子開(kāi)關(guān) 在13000次雌果蠅測(cè)試中，有一種基因正是科學(xué)家想要的。研究人員利用抗體來(lái)追蹤目標(biāo)基因Dickson將其稱(chēng)為SP受體(SPR)的位置。這種基因激活了雌果蠅的精子儲(chǔ)存器官和神經(jīng)系統(tǒng)。特別需要指出的是，SPR大量聚集在與性行為有關(guān)的神經(jīng)細(xì)胞中。SPR同時(shí)也存在于雄果蠅的神經(jīng)系統(tǒng)中，但科學(xué)家還不清楚它對(duì)于雄性有什么意義。盡管已經(jīng)有過(guò)交配和產(chǎn)卵的經(jīng)歷，通過(guò)抑制大腦細(xì)胞中SPR的形成，這些雌果蠅的行為好像是一只從未交配過(guò)的昆蟲(chóng)。研究小組將在本周出版的自然雜志上報(bào)告這一研究成果。研究人員指出，如果能夠找到一種抑制蚊子的SPR的藥物，將為瘧疾的防治

12、開(kāi)辟新的道路使用這種藥物后，由于從產(chǎn)卵演變?yōu)闊o(wú)休止的交配，蚊子的種群數(shù)量將直線下降。 瑞士蘇黎世大學(xué)的生物學(xué)家Eric Kubli認(rèn)為：“這是一項(xiàng)重大突破。”Kubli指出，盡管蚊子是否與果蠅具有類(lèi)似的性行為開(kāi)關(guān)尚未確定，但是蚊子具有一種序列與SPR非常接近的基因。他說(shuō)，這將是科學(xué)家下一步的研究重點(diǎn)。 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)慢性疼痛的“分子開(kāi)關(guān)”美國(guó)科學(xué)家最新研究發(fā)現(xiàn),神經(jīng)細(xì)胞中的一種蛋白分子能夠控制是否會(huì)發(fā)生慢性疼痛,相當(dāng)于一個(gè)“分子開(kāi)關(guān)”。這一發(fā)現(xiàn)將有助于研制治療慢性疼痛的相關(guān)藥物。 哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)中心研究人員在最新一期美國(guó)神經(jīng)科學(xué)雜志電子版上報(bào)告說(shuō),神經(jīng)細(xì)胞中的蛋白激酶G(PKG)就像慢性疼痛的“

13、開(kāi)關(guān)”,當(dāng)人體受到損傷或產(chǎn) 生炎癥時(shí),蛋白激酶G開(kāi)啟。這個(gè)開(kāi)關(guān)一旦被激活,它會(huì)引發(fā)體內(nèi)其他反應(yīng),不斷發(fā)出疼痛信號(hào)并將信號(hào)傳送至大 腦。只要蛋白激酶G處于“開(kāi)”的狀態(tài),疼痛就會(huì)一直持續(xù)?！瓣P(guān)掉”蛋白激酶G,疼痛就會(huì)消除。 慢性疼痛是一種常見(jiàn)病癥,僅美國(guó)就有4800萬(wàn)人飽受慢性疼痛折磨。目前尚沒(méi)有治療慢性疼痛的特效藥物,一些緩解疼痛的藥物則存在各種各樣的副作用。 普林斯頓大學(xué)科學(xué)家列爾溫伯格(音)和托馬斯申克(音)對(duì)啟動(dòng)病毒自我繁殖的生化信號(hào)進(jìn)行了研究。 艾滋病毒中Tat蛋白在啟動(dòng)病毒自我繁殖的過(guò)程中具有重要作用。生化學(xué)家成功確定了病毒基因組中負(fù)責(zé)生成這種蛋白的基因片段。負(fù)責(zé)啟動(dòng)病毒繁殖過(guò)程的另外

14、一部分是酶p300。這是由T淋巴細(xì)胞合成的。當(dāng)這種酶與Tat蛋白結(jié)合在一起時(shí)，啟動(dòng)艾滋病毒自我復(fù)制的生化信息就形成了。但在淋巴細(xì)胞中有一種酶能夠抑制Tat蛋白的合成?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)艾滋病毒繁殖分子開(kāi)關(guān) 這種酶叫作SirT1。相應(yīng)的，這種p300和SirT1之間的平衡可以被認(rèn)為是負(fù)責(zé)艾滋病毒繁殖的分子開(kāi)關(guān)。 科學(xué)家特別指出，目前還不能過(guò)早的高興，首先，因?yàn)榭茖W(xué)家們確定的還不是病毒繁殖過(guò)程的所有參與者；其次，他們的研究還是純粹的基礎(chǔ)性研究。但是，這項(xiàng)研究可以成為艾滋病治療的基礎(chǔ)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)艾滋病毒繁殖分子開(kāi)關(guān) 分子存儲(chǔ)器是指用來(lái)存儲(chǔ)信息的量子化體系。分子水平上的存儲(chǔ)是通過(guò)具有雙穩(wěn)態(tài)或多穩(wěn)態(tài)特性

15、的分子材料實(shí)現(xiàn)的。在一定電場(chǎng)的作用下，這種材料可從原來(lái)的絕緣態(tài)直接躍遷為導(dǎo)電態(tài)，相當(dāng)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中的“0”“1”兩種狀態(tài)；用來(lái)“寫(xiě)入”信息的工具就是電場(chǎng)。目前發(fā)現(xiàn)的分子存儲(chǔ)器的機(jī)制有：分子內(nèi)或分子間的氫轉(zhuǎn)移，二聚化反應(yīng)，順-反異構(gòu)，電荷轉(zhuǎn)移，苯-醌轉(zhuǎn)變。研究分子存儲(chǔ)器的目的是在很小的面積上采用各種加工方法制作高密度的存儲(chǔ)器。分子存儲(chǔ)器 即使當(dāng)今存儲(chǔ)密度最高的硬盤(pán)，要想保存一比特的信息也需要大約100萬(wàn)個(gè)磁性原子，而位于加州圣何塞的IBM Almaden研究中心已經(jīng)成功地在一個(gè)單獨(dú)的原子上保存了一比特信息。 IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室則拿出了分子開(kāi)關(guān)，有望取代當(dāng)今的硅芯片技術(shù)制造超微型的處理器，一

16、臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的體積也許只會(huì)相當(dāng)于一粒塵埃。 IBM稱(chēng)，單原子存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)用后可以得到超高密度的存儲(chǔ)設(shè)備，至少相當(dāng)于目前硬盤(pán)的1000倍，可以在一部iPod的體積內(nèi)存儲(chǔ)3萬(wàn)部全尺寸電影。IBM展示單原子存儲(chǔ)、分子開(kāi)關(guān) IBM Almaden研究中心掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)室主管Andreas Heinrich介紹說(shuō)：“我們已經(jīng)可以測(cè)量出單個(gè)磁原子具有同樣的(磁各向異性)屬性，然后讓另一個(gè)原子靠近它，看看對(duì)(第一個(gè)原子的)磁各向異性有何影響，由此開(kāi)發(fā)出一種具備超高存儲(chǔ)密度的新型材料。” IBM將在室溫條件下測(cè)量不同類(lèi)型原子的磁各向異性，以求獲得一種穩(wěn)定的高密度存儲(chǔ)材料，用于生產(chǎn)商用硬盤(pán)產(chǎn)品。IBM科學(xué)家C

17、yrus Hirjibehedin表示：“我們的下一步行動(dòng)就是研究如何讓一種特定的磁原子固定在特定的表面上，使之有能力維持磁性取向，并且能夠在不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，然后我們就能使之飛快旋轉(zhuǎn)。我們希望能在未來(lái)幾年內(nèi)展示這種穩(wěn)定的媒介材料。” 分子開(kāi)關(guān)技術(shù)方面，Heinrich表示：“自從發(fā)明半導(dǎo)體技術(shù)以來(lái)，我們一直依賴(lài)縮小它們的尺寸來(lái)改善性能，但電子的波長(zhǎng)是10納米左右，所以半導(dǎo)體工藝的改進(jìn)是有極限的，不可能達(dá)到單個(gè)原子的層次。如果你想在原子層次進(jìn)行計(jì)算或者傳輸數(shù)據(jù)，就必須尋找一種替代半導(dǎo)體的方法，而這就是我們蘇黎世實(shí)驗(yàn)室所要做的：設(shè)計(jì)一種全新的分子尺寸電路，有朝一日徹底取代硅電路和銅線。” IBM

18、展示單原子存儲(chǔ)和分子開(kāi)關(guān) 兩個(gè)十字形的分子開(kāi)關(guān)可以通過(guò)重定向開(kāi)關(guān)中間的氫原子(白色顆粒)來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉 整流器的作用是將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。分子整流器是由有機(jī)給體、受體橋連而成的分子結(jié)構(gòu)，能顯示類(lèi)似p-n結(jié)特性的電流-電壓整流特性。分子整流器的需求來(lái)自?xún)煞矫妫阂皇欠肿泳€路中無(wú)法用其他元件替代其整流作用，二是為了避免出現(xiàn)誤讀現(xiàn)象。分子整流器新型單分子整流器 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室富勒烯單分子研究又獲重要進(jìn)展。他們成功將富勒烯單分子中的一個(gè)碳原子用氮原子取代，并利用單電子隧穿效應(yīng)，成功研制出僅由一個(gè)分子組成的新型單分子整流器。 這個(gè)分子器件有著和傳統(tǒng)單分子整流器不同的工作原理

19、，在重復(fù)性和可控性方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。這是他們繼用單分子操縱手段實(shí)現(xiàn)由兩個(gè)富勒烯分子構(gòu)成負(fù)微分電導(dǎo)二極管后又一重要研究進(jìn)展。 利用單個(gè)分子構(gòu)造具有特定功能的電子器件是納米電子學(xué)的重要研究方向之一。富勒烯分子是納米層次上的明星分子，由60個(gè)碳原子按足球狀構(gòu)成，它的發(fā)現(xiàn)者被授予了1996年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 近年來(lái)，科學(xué)家揭示了富勒烯分子在納米電子學(xué)領(lǐng)域的潛力，它被認(rèn)為是未來(lái)分子器件的重要候選者之一。此次中國(guó)科技大學(xué)的研究工作從氮置換富勒烯分子以引入特殊性質(zhì)的摻雜能級(jí)的新思路出發(fā)，為富勒烯分子在納米電子學(xué)和分子器件方向的應(yīng)用揭示了新的前景。分子整流器示意圖 具有單向?qū)щ娦阅艿恼髌魇俏㈦娮訉W(xué)中最重要

20、、最基本的器件單元。納米整流器的研究對(duì)納米電子學(xué)的實(shí)現(xiàn)具有重要的科學(xué)意義和潛在的應(yīng)用背景。 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉云圻研究員合成了具有D-A結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子，制備了多種一維納米結(jié)構(gòu)，利用LB技術(shù)和STM技術(shù)組裝了分子整流器，利用具有分子內(nèi)納米結(jié)的碳納米管和串珠狀碳納米管制備了納米整流器。組裝了邏輯電路和制備了場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在開(kāi)啟電壓、整流比、場(chǎng)效應(yīng)遷移率等方面取得了突破。由單根具有C/CNx 納米結(jié)的多壁碳納米管制備的納米整流二極管。 a、b竄珠狀碳納米管半導(dǎo)體納米球異質(zhì)結(jié)構(gòu)；c 利用單根異質(zhì)結(jié)構(gòu)制作的Schottky二極管。 分子開(kāi)關(guān)可解決微流體器件粘連難題 分子場(chǎng)效應(yīng)管 場(chǎng)

21、效應(yīng)管（FET）是通過(guò)外加電壓產(chǎn)生電場(chǎng)改變導(dǎo)電溝道的寬窄以控制截流子運(yùn)動(dòng)的一種有源器件。它既有開(kāi)關(guān)作用、又有增益功能，維持電路中電信號(hào)正常的電平（工作電壓），在計(jì)算機(jī)中起著非常關(guān)鍵的作用。典型的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)包括電極（柵極、源極、漏極）、絕緣層、半導(dǎo)體層。當(dāng)柵極有一定電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生垂直半導(dǎo)體層的電場(chǎng)，在源極和漏極之間的半導(dǎo)體層中形成導(dǎo)電溝道，在一定漏極電壓下源極和漏極之間就有電流通過(guò)。通過(guò)調(diào)節(jié)柵極電壓，就可改變其產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響半導(dǎo)體層中導(dǎo)電溝道寬度和流經(jīng)源極、漏極的電流。DNA場(chǎng)效應(yīng)管傳感器的分子設(shè)計(jì) 分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，給臨床醫(yī)學(xué)診斷以巨大的影響，與疾病相關(guān)的DNA片段的

22、檢測(cè)即“基因診斷”成為一種新興的臨床診斷方法，加之本世紀(jì)內(nèi)能與阿波羅登月計(jì)劃媲美的人類(lèi)基因組計(jì)劃的完成和其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使基因診斷技術(shù)不斷提高，日臻成熟。 目前，基因診斷均采用PCR技術(shù)，它以其簡(jiǎn)便、快速、靈敏的優(yōu)勢(shì)，成為臨床診斷的技術(shù)熱點(diǎn)，但是PCR技術(shù)存在急需解決的二大問(wèn)題：一是不能定量，二是污染所致的假陽(yáng)問(wèn)題。 近年來(lái)，生物傳感器飛速發(fā)展，人們把生物技術(shù)與現(xiàn)代物理、化學(xué)、微電子學(xué)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，研制了各種各樣的生物傳感器，從酶?jìng)鞲衅靼l(fā)展到抗原(抗體)傳感器，乃至基因(DNA)傳感器。 DNA傳感器的出現(xiàn)使對(duì)目的DNA的測(cè)量時(shí)間大大縮短，操作簡(jiǎn)便，無(wú)污染，既可定性，又可定量。且靈敏度高、

23、選擇性好，顯示出誘人的發(fā)展前景。 研究以場(chǎng)效應(yīng)管傳感器為基體傳感器，通過(guò)設(shè)計(jì)場(chǎng)效應(yīng)管柵區(qū)自組裝單分子膜技術(shù)，設(shè)計(jì)雜交指示劑，建立DNA場(chǎng)效應(yīng)管傳感器制備方法，為臨床醫(yī)學(xué)基因診斷技術(shù)提供新方法、新器材。 DNA場(chǎng)效應(yīng)管傳感器由敏感元件、加熱元件、測(cè)溫元件等集成而成。 敏感元件有漏極(D)、源極(S)和柵極(G，生物敏感柵)組成，測(cè)溫元件為測(cè)溫二極管。工作原理 DNA場(chǎng)效應(yīng)管傳感器對(duì)靶DNA的選擇測(cè)定，即定性機(jī)理是基于分子雜交技術(shù)。 在場(chǎng)效應(yīng)管的柵區(qū)，固定一條含有十幾到上千個(gè)核苷酸單鏈DNA(ssDNA)，通過(guò)分子雜交，達(dá)到對(duì)另一含有互補(bǔ)堿基序列DNA的識(shí)別，形成雙鏈DNA(dsDNA)，待測(cè)分子

24、含量通過(guò)換能器表達(dá)出來(lái)。分子閘流管 分子閘流管的作用相當(dāng)于普通固體器件中的可控硅，可以使用具有非易失性（信號(hào)一旦寫(xiě)入，能夠持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間）的電雙穩(wěn)態(tài)材料制成。在分子兩端加上電壓U，當(dāng)U小于閾值電壓Vt時(shí)，器件處于阻抗很高的“關(guān)閉狀態(tài)”（相當(dāng)于正向阻斷）；然后加上適當(dāng)?shù)闹绷骺刂齐妷篸u使U+duVt時(shí)，器件迅速轉(zhuǎn)換到低電壓、大電流的導(dǎo)通狀態(tài)。由于選用的是具有非易失性的材料，故此后控制電壓就失去作用，器件要在其他條件下才能再恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)。與傳統(tǒng)的可控硅相比，分子閘流管用于脈沖電路和控制器系統(tǒng)時(shí)，具有響應(yīng)速度快、功耗低、動(dòng)態(tài)電阻小的優(yōu)點(diǎn)。分子導(dǎo)線 用來(lái)將分子器件連接起來(lái)的有機(jī)分子稱(chēng)為分子導(dǎo)線。它能夠

25、連接一個(gè)個(gè)分子，將分子器件相互連接起來(lái)構(gòu)成分子電路，把分子器件連接到外部世界。有效的分子導(dǎo)線是實(shí)現(xiàn)分子器件之間及分子器件與外部連接的關(guān)鍵單元。分子導(dǎo)線可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是在高分子鏈方向形成共軛雙鍵結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電方向是鏈方向；另一類(lèi)是在某種平面分子晶體中，分子面互相堆砌成柱狀結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)電方向是分子柱的堆砌方向。基于分子導(dǎo)線化合物(DTDT)熒光法測(cè)定廢水中Cr()外電場(chǎng)作用下寡聚苯分子導(dǎo)線的性質(zhì)電場(chǎng)作用下分子導(dǎo)線的理論研究 分子導(dǎo)線:半導(dǎo)體性-金屬性組合的雙壁納米碳管 分子導(dǎo)線聚合物在氰根陰離子檢測(cè)中的應(yīng)用研究 #$ %&%(%)*復(fù)合體系對(duì)氰根陰離子的熒光響應(yīng)室溫下%&%的最大激發(fā)和發(fā)射峰分別為+$

26、和+,$-.#將%)*加入到%&%溶液中/%&%的熒光被有效猝滅0圖$插圖1/這說(shuō)明%)*與%&%通過(guò)配位作用形成了%&%(%)*復(fù)合物/從而使%&%熒光猝滅#再向上述復(fù)合物體系中加入不同量的23/發(fā)現(xiàn)%&%的熒光隨23加入量的增加而逐漸恢復(fù)0圖$1#分子馬達(dá) 分子馬達(dá)的概念起初源于生物界，是對(duì)一大類(lèi)廣泛存在于細(xì)胞內(nèi)部、能夠把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的酶蛋白大分子的統(tǒng)稱(chēng)。自然界（如生物體中）存在許多天然的分子馬達(dá)，例如在肌肉纖維組織、鞭毛組織和纖毛組織中，只有通過(guò)分子馬達(dá)才能將化學(xué)能（無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)）轉(zhuǎn)化為動(dòng)能（協(xié)調(diào)一致的機(jī)械運(yùn)動(dòng)）。迄今為止，人類(lèi)已在自然界中發(fā)現(xiàn)了上百種分子馬達(dá)；而且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一些分子馬達(dá)的能量轉(zhuǎn)換效率幾乎接近100%。分子器件要進(jìn)入實(shí)用階段，離不開(kāi)能量傳遞，也需要分子級(jí)的微小馬達(dá)分子馬達(dá)。 分子電子學(xué)中的分子馬達(dá)是指分子水平（納米尺度）的一種復(fù)合體系，是能夠做機(jī)械功的最小實(shí)體。其驅(qū)動(dòng)方式是通過(guò)外部刺激（如采用化學(xué)、電化學(xué)、光化學(xué)等方法改變環(huán)境）使分子結(jié)構(gòu)、構(gòu)型或構(gòu)像發(fā)生較大變化，并保證這種變化是可控和可調(diào)制的，而不是無(wú)規(guī)則的，從而使體系具備對(duì)外做機(jī)械功的能力。由于設(shè)計(jì)思路的多樣性和分子的復(fù)雜性，分子馬達(dá)也有許多部件，如分子轉(zhuǎn)子、分子傳動(dòng)裝置、分子開(kāi)關(guān)、分子梭、分子轉(zhuǎn)門(mén)、分子棘齒、分子滑環(huán)和分子鏈環(huán)等。盡管科學(xué)家們已用人工合成方法利用多個(gè)甚至是單個(gè)DNA分子制造出