随着人类进入信息时代,电子技术要求设备和系统“更小”、“更快”、“温度更低”。然而,近年来,人们在向“小”发展的过程中遇到了很大的困难。一是光刻技术不能用于小尺寸。另一种是根据Moore第二定律,器件成本随着器件尺寸的减小呈指数增长。如果能将电子运动控制在有机分子区域内,将分子聚集体制成具有特殊功能的器件,有望突破摩尔定律,大大提高电路的集成度和计算机的运行速度。实现这一复杂要求的方法是将分子制成可以单独操纵的组件。分子多样性是分子电子学相对于硅基电子学的优势之一。同时,可以通过设计具有电子和化学结构的分子来调整导电性,以实现预期的应用。在过去的几十年里,人们从理论上设计和实验上制造了各种各样的功能分子器件,如分子开关、分子整流器、分子导线和分子晶体管。

图1. 单分子自组装膜结构示意图

分子是分子器件中电荷传输的通道,占据着分子连接的主要部分。三个子组分组成自组装膜的结构:主链、取代基和锚接基团。通过分别研究每个组分,我们就有可能操纵分子结的性质。此外,由于自组装膜是由大量的分子组成的,因此在优化自组装膜的性能时必须考虑自组装膜的超分子结构,自组装膜组装结构的细微变化会对其性能产生深远的影响,特别是在隧道结内部。因此,我们用基于实验室的技术(XPS、ARXPS、电化学等)对SAMs进行了详细的表征。

XPS能够提供分子结中元素种类及相对原子含量的信息,ARXPS可通过不同深度的元素比例分析单分子层厚度,一定程度上可反应出分子间堆积的紧密程度。含有氧化还原基团的分子可进行电化学测试,通过其CV曲线可得到分子结表面覆盖度信息。以上几种测试手段可从多个方面对分子结中超分子结构进行表征,通过优化超分子结构我们可得到具有最优性能的分子结。随后我们将进行Junction 测试,以液态金属EGaIn作为顶电极,对分子结施加电压,得到J(电流密度)-V曲线,可通过电流密度J的大小、整流比R大小对其进行分子器件性能的表征。

图2. 用电化学、XPS等测试方法对单分子自组装膜进行表征


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