Citation: Xu Xiaona, Han Bin, Yu Xi, Zhu Yanying. New Progress in Molecular Electronics[J]. Acta Chimica Sinica, 2019, 77(6): 485-499. doi: 10.6023/A19010019
分子电子学的新进展
English
New Progress in Molecular Electronics
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Key words:
- molecular electronics
- / device construction
- / charge transport mechanism
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1. 引言
分子(尺度)电子学器件采用单个有机分子或者少量有机分子聚集体与微尺度电极来构筑分子结, 测量并解析分子尺度上的光电过程, 以期实现新型基于分子的微纳光电器件, 譬如分子开关、分子整流器、分子晶体管等.
20世纪50年代, Feynman[1]提出了“从单个分子甚至原子开始进行组装”的自下而上(bottom up)的方法, 以替代传统的自上而下(top down)微加工技术, 来构筑微尺度功能单元的设想, 并指出在微观尺度领域大有可为(“There’s plenty room at the bottom”). 70年代, Ratner等[2]率先提出了分子整流器的设想, 从理论上论证了单分子器件实现的可能性.随着Langmuir-Blodgett(LB)膜, 自组装(Self-Assembly)[3]和扫描探针显微镜(SPM)等技术的发展[4], 微观尺度制备工艺与表征手段得到了进一步的提高, 使得构筑微尺度的“电极-分子-电极”体系成为可能. Reed等[5]首次利用机械力控制断裂结的方法(Mechanical Controlled Break Junction, MCBJ)测量了吸附于两个金电极之间的对苯基二硫醇分子的电荷输运行为, 测得了对苯基二硫醇分子的伏安特性曲线, 证明了有机分子的导电性. Tao和Paddon-Row等[6]开发了基于扫描探针的单分子断裂结测量技术(Scanning Probe Microscopy Break Junction, SPM-BJ), 并发展成为测量单分子电荷输运性质的通用方法.与此同时, 在金属电极上的自组装单层膜(self-assembled monolayer, SAM)基础上利用诸如液态金属作为顶电极的单分子层器件也逐步发展起来, 成为相对于单分子结的另一大类构筑分子尺度器件的技术和研究电荷输运性质的系统[7].
在过去的十多年中, 分子电子学的研究取得了快速的发展, 人们已经初步探索了分子电子学诸多相关的技术和概念.首先, 分子本身就可以被当作一个丰富的电子系统, 因为它具有多样的轨道及能级, 从而具备实现多种电学功能的潜力; 其次, 分子种类繁多, 可用的分子有上百万种, 一旦清楚了影响电子传输特性的因素, 可以根据需要“定制分子”, 从而“定制功能”; 最后, 分子有独特的化学/生物识别功能, 具有可以直接应用于生物及医学传感器的前景.
分子电子学是一个新兴的充满活力的研究领域.近年来, 有关分子电子学领域发表的英文综述和专著很多[8~21].比较有代表性的英文综述主要如Venkataraman等[22]从物理有机化学原理的角度分析了锚定基团, 电极, 分子桥三种必备组分在结构及种类上对单分子器件性能的影响. Li等[23]针对分子电子学中纳米间隙电极的制备及单分子器件进行了详细的整理和总结. Guo和Xiang等[24]发表的综述则对该领域进行了最全面的总结和介绍. Scheer和Cuevas[25]合著的《Molecular Electronics: An introduction to theory and experiment》是介绍分子电子学领域的理论和实验最全面也最为详尽的专著.
相比于大量的英文综述文献, 中文文献则比较少.典型的中文文献如Zhang等[4]主要介绍了几种构筑及测试单分子结的方法, 包括扫描隧道显微镜(STM), 导电原子力显微镜(CP-AFM), 扫描隧道显微镜裂结(STM-BJ), 机械可控裂结(MCBJ)及单壁碳纳米管(SWNT)技术等. Li等[26]对金属-分子-金属结器件的制备方法及其对电荷输运的影响进行了阐述. Tian等[27]对金属-分子-金属结器件的电子传输机理与表征进行了总结, 着重介绍了分子电子学常见的表征方法, 如电流-电压, 电流-时间, 转变电压谱(TVS), 散粒噪声及非弹性电子隧穿谱(IETS)等.
目前, 分子电子学在国内, 无论是化学领域还是物理领域, 认知度都比较有限, 从事这一前沿交叉研究方向的课题组不多.但近些年来, 国内的研究也正在兴起, 部分课题组的研究已经达到国际领先水平.因此有必要对这一领域近年的快速发展做一个简要浅显的介绍, 使国内的相关科研工作者对分子电子学有一个基本的了解和把握.
2. 分子器件的制备
2.1 单分子器件的制备
单分子器件是分子电子学研究中的主要体系之一.单分子器件的制备最常用的是基于SPM-BJ技术和MCBJ技术两种.两种方法都是利用贵金属(主要是金)的延展性, 在断裂过程中形成原子尺度的微小电极和微小间隙, 再结合分子自组装, 制备电极-分子-电极结器件.最早是通过SPM的位置精密控制系统, 利用针尖与金基底形成分子结[24].
SPM技术包括AFM和STM.其中AFM通过探针悬臂的偏转结合光路反馈针尖与样品的作用, 再通过压电元件精确控制针尖的位置和与样品的作用力. STM利用的是金或者铂-铱丝在拉断过程中形成的原子级尖锐的针尖, 在与导电基底临近时产生的隧穿电流, 通过电流反馈控制针尖位置[28]. STM自诞生起就成为研究电荷输运特性的重要工具, 起初主要研究平躺吸附于导电基底表面的分子的电荷隧穿输运, 可以看作是单分子结的前体.
Tao等[29]利用STM-BJ技术结合分子在金电极上的自组装, 在STM针尖和一个放置于待测分子溶液中的金电极之间通过不断的拉伸而形成裂结, 溶液中的分子自组装到裂结里, 从而得到单分子结器件.他们分别测得了烷基硫醇单分子以及4, 4-联吡啶单分子的电导.并通过2, 2-联吡啶分子与4, 4-联吡啶分子的电导的对比以及形成分子结前后的电导图对比验证了所测电导确为单分子电导.为以后的单分子电导的测试提供了参考.具体做法如图 1所示.
图 1
常规的STM-BJ技术是通过针尖与基底间的不断拉伸来形成分子结并实时监测电导.由于实验过程中探针的移动使分子/电极界面变得不稳定, 对电荷输运的研究产生干扰. Tao等[30]进一步将STM-BJ技术进行了改进.首先在低偏压下使探针抬起一定高度形成单分子结后保持静止, 然后在该偏压下测得电流电压曲线.逐渐增加偏压重复上述过程直到分子结断裂, 如图 2所示.该方法能给出在低偏压下的电导随电压清晰的变化关系, 给单分子电导的分析提供更多详细信息, 例如可以提供单分子的TVS, 用于揭示分子结构与电荷隧穿之间细致的关系[31].
图 2
利用STM-BJ技术, 近些年人们对微观尺度分子结的电荷输运进行了细致的研究, 电极与分子的接触及分子的自身结构对电学特性的影响进行了详细的阐述. Tao等[32]利用STM-BJ技术分别研究了巯基、氨基、羧基三种锚定基团对单分子电导的影响, 并发现在三种锚定基团下, 分子结电流-电压曲线在低偏压下是线性的, 增加偏压后由于氨基和羧基与金的相互作用弱而导致分子结断开.此外, 氨基和羧基封端的分子对pH值变化较为敏感, 去质子化以及质子化过程氢离子会影响分子与金电极之间的耦合强度, 从而影响分子结电导.该组之后又报道了关于利用原位电化学的方法制备了单分子结器件, 提高了器件制备的稳定性及产率[33]. Venkataraman等[34]研究了分子/电极为给-受体连接时分子结的电学特性, 发现在这种连接下, 单分子器件在较高偏压下更容易断裂, 并且这种断裂有很强的偏压依赖性, 为研究场击穿提供了一种新方法. Campos等[35]利用STM-BJ技术制备了联苯以及联噻吩的单分子结并研究了分子结构的对称性对于单分子电导的影响.实验发现, 当两种分子分别与金电极相连形成分子结时, 由于对称性的差异观察到联噻吩分子的电导分布较宽, 并且联噻吩分子相比于对称性较好的联苯分子, 其自由旋转受器件结构的限制更大, 通过改变噻吩分子的扭转角发现电导分布对分子的构象有很强的依赖性, 这一结果与DFT理论计算结果相一致.
STM-BJ技术是通过电流反馈针尖位置, 实际上并不能十分精准地感知分子与电极的接触[25].而AFM借助原子力针尖悬臂的变形配合光路的放大效果, 可以感知针尖与分子的微小作用力.将AFM的硅或者氮化硅的针尖涂敷一层导电层即可实现CP-AFM技术, 可以在控制分子与电极的接触力的同时进行电学测试. Wold等[36]首次利用CP-AFM技术测得了烷基硫醇自组装单层膜的电学特性. Venkataraman等[37]也利用该技术测得了联吡啶以及吡啶基-乙烯单分子结在拉伸过程中的电导变化趋势, 如图 3所示.测试结果表明范德华相互作用对分子结断裂期间局部Au—N键的伸长与苯环结构的配位之间的相互作用敏感, 在反馈力为0.4~1 nN时其对电导有贡献.该报道对金属/有机界面的范德华相互作用提供了定量表征.
图 3
大多数裂结技术都无法控制电极与分子的接触[38], 从而无法避免电导受分子/电极界面的影响. Xu等[39, 40]将传统的SPM-BJ技术中探针的连续伸缩分成周期性的两个过程, 先是迅速收回0.8 nm, 再停留20 ms记录电流和力信号, 如图 4所示.该方法能在完全相同的实验条件下测量多个分子结电导, 消除或最小化由于实验条件的变化造成的测量差异.该方法可通过改变悬臂振幅来改变针尖与分子的接触力大小, 并且得到输运性质与调制力之间的关系.在实验上首次实现了电导的调控, 为分子导线的设计和电学性能可靠的纳米电子结构装置的构筑提供了指导.
图 4
单分子结制备的另一种常用方法MCBJ技术首先由Moreland和Ekin[41]提出, 之后由Muller和Ruitenbeek等[42]发展, 直到1997年Reed等[5]首次利用MCBJ技术测得了苯二硫醇的单分子电导.其原理如图 5所示, 在一个柔性衬底上搭载金属丝, 在弯曲梁的反向支撑下通过压电元件精确控制金属丝断裂形成电极, 利用柔性衬底的弯曲在电极间形成单分子结.相对于扫描探针为基础的断裂结技术, MCBJ的主要优点是可以通过柔性衬底和杠杆原理, 配合压电元件在金属电极之间形成连续可控的间隙, 进而形成机械稳定的单分子结器件.该装置中的压电元件相较于STM以及AFM设备来说尺寸较小, 便于放置于不同环境下测试单分子器件, 或与其他测试手段实现集成, 因此成为单分子电子学研究的另一主流方法.以此方法为基础结合其他技术可对分子电子学器件进行更细致的研究.
图 5
将MCBJ与光谱技术相结合可以提供原位的精细的分子结的结构信息, 为电荷输运机理的研究提供有力支持, 也是MCBJ技术近些年来的一个主要进步.例如Tian和Tao等[43]利用MCBJ技术与表面增强拉曼(SERS)技术结合, 原位测试电极间苯二硫醇分子结的拉曼信号.通过对比电极不同部位的拉曼信号结合FDTD理论发现电极间隙处拉曼信号最强.同时通过机械调控电极间隙发现不同分子的拉曼信号随着间隙的减小而逐渐增强, 并且电极间的分子拉曼信号有一定的增强.该方法实现了对单分子结光学特性的原位检测, 同时也利用MCBJ技术可控的机械稳定性在分子结及电极间得到了较强的拉曼信号.使得MCBJ及SERS技术成为研究分子电子学器件性质的强有力手段, 为单分子的光学特性提供了更深刻认识.
此外, 该技术相对于SPM-BJ技术, 更容易通过微加工方法构筑栅极, 从而实现单分子晶体管器件.如Mayer和Lee等[44]利用MCBJ技术在距离苯二硫醇分子结几纳米处加侧栅极构筑机械稳定的单分子晶体管, 如图 6所示.结合DFT理论, 通过栅极调控改变分子结的电场使分子中的电子结构发生改变进而能级发生位移来调控分子结电导.除实现栅极调控外, 通过测试发现器件的漏电流在pA量级远小于分子的电流范围, 满足了晶体管的两大重要指标.为制备机械稳定的单分子晶体管提供了切实可行的新方法.
图 6
2.2 单分子层器件的制备
目前, 单分子器件代表了小型化的一个极限, 而且由于其相对简单清晰的结构, 理论上处理起来更容易, 因而, 更多地受到物理学家的青睐.但单分子器件制备工艺复杂、设备昂贵, 且电导测试需要做大量的统计.而单分子层器件恰好可弥补这些不足, 它制备工艺简单, 成本相对较低, 用普通材料和在化学实验室即可实现.
对于单分子层器件, 分子通常通过自组装与底电极相连形成单分子膜, 然后在分子层上构建顶电极形成分子结.由于极小的分子层厚度, 顶电极的构建以及与分子层的相互作用就成为分子层器件最关键的技术问题.顶电极既要与分子层有好的接触, 又要避免破坏分子层.
早期曾经采用汞滴作为顶电极[45]与分子层形成紧密的接触.但由于液态汞有毒且容易与底电极金属形成汞齐从而造成短路[7], 其应用受到很大的限制.而液态金属铟镓合金(EGaIn)由于易被氧化会在表面形成Ga2O3保护层可以防止金属渗透.基于此, Whitesides等[46~48]率先利用EGaIn代替Hg做顶电极, 测得自组装单分子层的电学特性.随后, Nijhuis等[49]也利用EGaIn作为顶电极制备了自组装的硫醇单分子层器件, 并表征了器件的稳定性及电学特性, 如图 7所示.该技术已经逐步发展成为一种简便快捷的制备分子层器件的标准方法并得到广泛应用.
图 7
另一种方法是通过蒸镀金属于单层膜上形成顶电极.然而在硫醇分子层上沉积的金或钛会渗透破坏分子层[50~54].为确保分子层结构的完整性, 可通过室温沉积金属原子的“软”沉积技术[55~57]以及在分子层与电极间加保护层等方法.例如, Boer等[58]利用光刻等技术在烷基硫醇自组装分子层与金属顶电极间插入PEDOT:PSS保护层, 成功避免了顶电极对分子层的破坏, 大大提高了分子结的稳定性、重复性及产率.还有人利用相似的方法测得了DNA双螺旋的单分子层电导, 证明了其与烷基硫醇分子的电荷传输机制相同[59].
最近, Lörtscher等[60]将金属纳米粒子自组装在烷基二硫醇分子层与蒸镀的顶电极之间作为保护层, 实现了稳定可重复的分子器件.相较于其他的保护层(石墨烯, 导电高分子), 此方法利用微加工技术制备多种不同孔径的阵列使纳米粒子在其中与分子层通过化学吸附相接触.一方面, 有利于精确控制两端分子与电极的接触面积, 实现大规模单分子层器件阵列.另一方面, 化学吸附可以使金属电极与分子层的接触更紧密.此方法在不破坏分子层的同时满足了制备单分子层器件的要求, 也可在低温条件下结合其他测试手段例如非弹性电子隧穿谱(IETS)对器件进行其他性质的表征.为将分子化合物整合到固态器件中提供了新途径, 并且尺寸可缩小到单分子水平, 如图 8所示.
图 8
除上述方法外, 另一个策略是利用悬浮纳米线法制备单分子层器件.该技术首先利用微加工的方法制备出间距在几微米的电极阵列, 然后将分子自组装在金纳米线上, 再通过介电泳力使金纳米线与底端微电极相连, 在介电泳力的作用下使纳米线与底电极紧密接触, 同时该力很小不足以破坏分子层. Selzer等[61]采用自组装悬浮纳米线的方法制备烷基硫醇单分子层器件并利用IETS及TVS研究了形成的两个分子结的有效性.同时利用纳米线与底电极间产生的表面等离基元研究分子结电导与入射光功率间的变化关系, 如图 9所示.
图 9
3. 电荷输运机理及表征
对于微观尺度分子结中的电荷输运, 目前公认的传输机制有两种, 一种是隧穿机制, 通常指电子经过一步量子隧穿从一侧电极直接到达另一侧电极.另一种是跳跃机制, 通常指电子经过一步或多步到达分子, 再由分子到达另一端电极, 如图 10所示[62].
图 10
3.1 隧穿机理
在简化的隧穿模型中, 分子被简化成一个有一定能量高度和一定长度的能垒.分子中的电荷输运是通过矩形势垒的量子隧穿, 可以通过Simmon’s模型来描述:
$ J=\frac{e}{4 \pi^{2} \hbar d^{2}}\left\{\begin{array}{l}{\left(\varphi-\frac{e V}{2}\right) \exp \left[-\frac{2(2 m)^{1 / 2}}{\hbar} \alpha\left(\varphi-\frac{e V}{2}\right)^{1 / 2} d\right]-} \\ {\left(\varphi+\frac{e V}{2}\right) \exp \left[-\frac{2(2 m)^{1 / 2}}{\hbar} \alpha\left(\varphi+\frac{e V}{2}\right)^{1 / 2} d\right]}\end{array}\right\} $
其中φ, d, m和V分别代表势垒高度、势垒宽度、电子质量和施加的偏压, α是无单位参数, 用于调整隧穿电子的有效质量并修改矩形势垒模型.通过将实验数据和该公式进行拟合, 可得到有关电荷输运的关键物理量, 例如势垒高度和势垒宽度等.此外Simmon’s模型得到的I-V关系可根据电流对偏压的依赖性分为高偏压区和低偏压区.在高偏压区(电流-电压非线性依赖)I-V关系为:
$ I=\left(\frac{e}{4 \pi^{2} \hbar d^{2}}\right)\left(\varphi-\frac{e V}{2}\right) \exp \left[-\frac{2(2 m) 1 / 2}{\hbar} \alpha\left(\varphi-\frac{e V}{2}\right)^{1 / 2}\right] $
在低偏压区(电流-电压线性依赖) I-V关系为:
$ I=\left(\frac{(2 m \varphi)^{1 / 2} e^{2} \alpha}{\hbar d^{2}}\right) V \exp \left[-\frac{2(2 m)^{1 / 2}}{\hbar} \alpha(\varphi)^{1 / 2} d\right] $
从上式可以发现, 在低偏压区, 随着势垒宽度(分子长度)增加, 隧穿电流指数衰减.这一长度依赖性可以简化为:
$ I=I_{0} e^{-\beta d}$ , 其中β为衰减因子, I0为接触电流.可以看出$\beta \propto \alpha(\varphi)^{1 / 2} d $ , 即衰减因子的大小与势垒高度直接相关, 势垒越高, 衰减因子越大.这种电导随分子长度指数衰减的现象可当做判断电荷隧穿输运机理的一种手段.对于不同类型的分子结, 隧穿势垒可以认为是分子的HOMO或LUMO与电极费米能级间的能量差.由于共轭分子比烷基硫醇分子的能量差小, 所以电导较大, 衰减因子较小.实验中发现不同结构的同种类型的分子结有相似的衰减因子, 饱和烷烃为0.7和0.9 Å-1, 共轭分子为0.2和0.5 Å-1[63].对于隧穿机制, 由于室温下温度对电极中电子的费米分布影响很小, 且隧穿机制下电子基本不与分子发生相互作用.分子的热运动不会影响电子隧穿, 因此, 隧穿机制是没有温度依赖性的.
Reed等[64]最早在实验上基于自组装技术研究不同长度的烷基硫醇分子结的电荷输运机理, 如图 11所示, a、b分别给出了实验所得的I-V曲线与理论的拟合以及电流随温度变化的曲线.从图中可以看出, 实验上分子结的电流-电压特性曲线与理论拟合地很好且没有温度依赖性.
图 11
Beebe和Frisbie等[65]而后发展了一种分析电流-电压关系的方法, 即转变电压谱(TVS).他们发现, 当将I-V数据重新绘制为图 12的ln(I/V2)对1/V时曲线会出现一个最低拐点.认为这一拐点是从直接隧穿到F-N隧穿的过渡, 此时势垒从低偏压下的梯形变为高偏压下的三角形.此转变电压即势垒高度.通过UPS得到电极费米能级与分子HOMO能级间的势垒偏移, 发现与TVS的转变电压一致.
图 12
尽管TVS曾一度受到广泛应用, 可以很方便地从I-V曲线中推断出隧穿势垒.然而细致的理论表明转变电压并不是一个真实的物理现象. Vilan等[66]研究发现, TVS中的拐点只是数学上I-V曲线非线性的标度, 任何非线性的曲线都会在F-N图上出现拐点.然而, 由于隧穿输运中I-V曲线中的非线性的确与隧穿势垒相关联, 即当分子能级接近偏压窗时I-V曲线出现明显的非线性.因此, TVS仍然可以一定程度上反映隧穿势垒的高度. Baldea[31]基于单态模型[67]给出了转变电压Vtrans与势垒高度εh之间的关系:
$e V_{\mathrm{trans}}=2 \varepsilon_{\mathrm{h}} / \sqrt{3} $ .表明TVS依然是一种有效的分析手段. Jia等[68]利用TVS展示了二芳基乙烯分子结在开态和关态下与电极能级差的不同.电流-电压特性分析的另一个新发展是基于隧穿机制的“通用定律”(law of corresponding states-LCS). Baldea及其同事[31]基于单态模型以及TVS给出有关分子结的I-V符合以下关系:
$ \begin{array}{l}{e V_{\text { trans }}=2 \varepsilon_{\mathrm{h}} / \sqrt{3}} \\ {I_{\text { trans }}=G_{1}\left|\varepsilon_{0}\right| \sqrt{3} / e}\end{array} $
其中Vtrans是转变电压, Itrans是转变电流. I-V曲线分为两个区域, 一个是V<VC的线性区, 另一个是V>VC的非线性区.再结合这两个公式可以得到如下的一个普遍定律:
$ I_{\mathrm{R}}=I / I_{\mathrm{C}}$ $ \begin{array}{l}{V_{\mathrm{R}}=V / V_{\mathrm{C}}} \\ {I_{\mathrm{R}}=\frac{2 V_{\mathrm{R}}}{3-V_{\mathrm{R}}^{2}}}\end{array} $
这个方程描述了隧穿机制下不同分子结中相似的I-V曲线.实验上, Frisbie等[69]利用CP-AFM测得的不同分子的I-V曲线与LCS曲线拟合的很好.为了证明该定律的普适性, 图 13总结了几个基于STM技术测得的I-V曲线与LCS曲线精确拟合的工作[29, 30, 70~72].可以看出所有实验结果与理论曲线相似度都很高.
图 13
3.2 跳跃机理
跳跃机理是另一种主要的电荷输运行为, 通常发生在较长分子中.在跳跃机制中, 电荷首先到达分子再传输到另一侧电极.因此电荷在传输过程中会与分子发生相互作用, 分子的形变以及周围环境的极化会暂时性捕获电荷, 再通过热激活使电荷继续传输.因此, 分子结电导与温度有关, 并遵循Arrhenius公式:
$ G \propto \exp \left(\frac{-E_{\mathrm{a}}}{k_{\mathrm{B}} T}\right) $
其中kB是玻尔兹曼常数, T是温度, Ea是活化能, 即电导与温度呈指数相关.在对隧穿机制的介绍中提到其电导没有明显的温度依赖性, 而跳跃机制与温度有关, 因此, 是否具有温度依赖性可成为判断隧穿和跳跃两种输运机理的依据.但在一定条件下, 两种传输机理可以相互转变.
关于跳跃机制的温度依赖性, Chen等[73]利用自组装技术制备了二异氰酸酯分子结, 并在不同温度下测得了分子结电导.如图 14所示, 可以观察到在不同偏压下分子结电导均有明显的温度依赖性. Selzer等[74]利用电迁移技术制备了Au-苯基乙炔基-4'-巯基-Au分子结, 并观察到高温下电流随着1/T呈指数衰减且从温度依赖转变成低温下的温度不依赖, 即电荷传输机理由跳跃转变成了隧穿(图 15).
图 14
图 15
跳跃的另一个特点是电导随长度线性衰减[25].当分子的长度逐渐增加时, 可观察到从隧穿到跳跃的转变. Frisbie等[63]在金基底上生长不同长度(范围从1.5到7.3 nm)的共轭低聚亚苯基亚胺(OPI)分子.利用CP-AFM技术进行I-V测试.得到了电阻与分子长度的关系图, 如图 16所示.可观察到随着分子长度的增加传输机理明显的转变.长度<4 nm时, 电导呈指数衰减, 可以用公式
$I=I_{0} e^{-\beta d} $ 很好地拟合, 衰减因子β为3.0±0.08 nm-1.长度>4 nm时, 电导呈线性衰减, β=0.9±0.07 nm-1.此外, 长分子电导还具有很强的温度依赖性, 而短分子电导是温度不依赖的.由此表明电荷输运机理从短分子的隧穿转变为长分子的跳跃.相同结论Choi等[75]也报道过.图 16
近些年来跳跃传输在生物分子体系受到了广泛的关注, 一方面是为了帮助研究生命体系内的电荷转移, 另一方面是探索生物分子作为分子电子器件的功能单元.最典型的是DNA, 其双螺旋结构中的碱基对形成了共轭分子面对面排列的分子管[76], 很早就被认为可能是纳米尺度的电荷传输通路[77, 78].对DNA电荷传输的机理的研究也非常丰富[79], 通常认为与有机分子类似, 较短链的是隧穿传输占主导, 长链的跳跃占主导.最新的研究主要关注于两种机理之间的转变过程及其化学本质. Tao等[80]利用STM-BJ技术测试了含有堆叠G碱基以及交替G碱基的两种短链DNA分子结电导.得到了不同序列中的电导随长度的变化, 如图 17所示.从图中可以发现, 交替G碱基序列中电阻随长度线性增加, 说明其电荷传输是跳跃机制[61].而堆叠G碱基序列中电阻在随长度线性增加的过程中出现了振荡叠加的现象.这些振荡与金原子链中的类似, 因此, 认为是隧穿机制的特征.然而, 与纯的隧穿不同的是其振幅随长度迅速衰减.所以, 这些振荡被解释为是隧穿与跳跃的中间传输机制的标志.
图 17
另一个近些年被广泛研究的体系是蛋白.生命体系中的能量转化和信号传递相关的电荷转移过程都有蛋白参与, 同时, 跨越蛋白的电荷转移都是长程的.因此弄清蛋白中电荷传输的机理(隧穿vs跳跃)也特别重要[81]. Cahen等[82]通过掺杂的方法研究了天然人血清白蛋白(HSA)和人造色素(CytC)电导的温度依赖性, 实验结果如图 18所示.从图中可以得到以下几个信息: (1)两种蛋白的传输机制(温度依赖性)很相似; (2)在给定偏压下, 随着HAS与掺杂物维甲酸(RA)比例的增加温度不依赖区的电流值增加, 在温度依赖区随掺杂比的增加活化能降低, 说明掺杂物对蛋白中的电荷传输机理产生了很强的影响; (3)在足够低的温度下, 电导表现出温度不依赖的行为, 在某较高温度下电导表现出温度依赖的行为, 说明两种不同的传输机制共存.在低温下主要机制是隧穿, 而较高温度下主要是跳跃.
图 18
隧穿与跳跃机制作为微观尺度下的两种主要传输机理, 它们各自的特点已经比较清楚.近些年的研究更多关注于跳跃到隧穿之间的转变过程.目前尚无完整的输运理论可以完整涵盖隧穿和跳跃传输.也没有研究可以详细揭示两者转变的精细化学基础.此外, 跳跃传输的基础是分子热运动, 与此相关的分子结的热性质, 如热电势、热导等也是研究的热点问题.
3.3 基于量子干涉的电荷输运及应用
量子干涉效应(QIE)是近些年备受关注的一种输运现象, 是分子特有的量子输运特性.电荷传输中的量子干涉效应源于电子在相干传输中通过不同分立的分子轨道(MO), 从而形成的波函数的干涉效应.在分子电子学领域, QIE首先由Ratner等[83]对线性共轭分子蒽(AC), 交叉共轭分子蒽醌(AQ), 具有破坏性共轭结构的分子二氢蒽酮(AH)的三种分子进行理论计算时发现.这三种长度相同的分子中, AQ分子的透射谱在电极费米能级附近由于破坏性量子干涉表现出显著下降.
Hong等[84]利用MCBJ技术对以上三种分子结进行了电学特性的表征, 得到了如图 19所示的电导变化规律.从图中可以观察到AQ分子电导比AC低约300倍, 这表明, 与AC相比, AQ的交叉共轭确实具有较低的电导, 这与预测AQ中存在破坏性量子干涉(DQI)的理论计算相一致.这是在单分子水平上第一个观察到DQI现象的实验之一.之后实验上通过EGaIn[85]、CP-AFM[86]及顶电极蒸镀等[87]方法也都测得了上述三种分子的SAM电导, 也发现AQ分子的电流密度最低.
图 19
量子干涉效应通常与分子结构有关, 因此Hong等[88]利用MCBJ和STM-BJ技术研究了一系列的带有吡啶锚定基团的低聚物(亚苯基亚乙炔基—OPE)的单分子电导.发现锚定基团中氮原子取代基的位置仅对单分子电导有微弱影响, 但中心环的位置对电导有较强影响.类似的工作还有通过改变OPE分子中心环中氮原子的取代位置调节DQI, 进而调节单分子结电导[89].该研究结果为调整单分子结中的量子干涉效应提供了指导, 对于设计具有理想功能的分子器件至关重要.
近两年, 有关QIE在分子电子学领域的应用也逐渐兴起, Hong和Zhang等[90]利用MCBJ技术基于量子干涉效应实现了在单分子水平上对SDPP和SPPO异构体的识别.理论上SPPO去质子化时, 有两个可能的共轭结构, 分别是线性共轭和交叉共轭.线性共轭与其本身类似, 能提供连续的电荷传输; 交叉共轭有两个单-双交替路径没有相互共轭, 因此会出现电导低的现象.基于此设计了相关实验, 如图 20所示.实验结果显示, 可根据典型的电导图差异识别SDPP和SPPO异构体.这项工作首次在实验上获得了单分子水平识别异构体的方法, 为异构体识别和隔离提供了一种新的、有效的方法以及为新分子器件的构筑提供了可能.
图 20
Hong等[91]利用电化学栅极调控的方法结合MCBJ技术对噻吩类单分子结的电导进行了调控.此研究是基于量子干涉原理, 通过改变电化学栅极电压来改变含有破坏性量子干涉(DQI)的分子结电导, 使得电导可实现两个数量级的改变.实验结果显示不含DQI的分子电导随栅极电压的改变仅仅是8倍, 如图 21所示.证明了电化学栅极调控是对基于量子干涉的分子器件电学特性原位调控的有效手段.电导的较大变化, 为基于DQI构建分子开关器件提供了可能.另外, Hong等[92]最新的综述中对单分子结电荷输运中的QIE的识别、QIE的调控及其潜在应用等都做了全面而详细的总结.
图 21
4. 分子器件的应用
分子电子学的诞生承载着人们对分子级微型器件的梦想.如今, 分子电子器件的发展, 已经远远超越了最初取代无机半导体的传统功能的器件, 新功能器件的发明层出不穷.
4.1 分子整流器
整流器是一种单向导电的电子器件, 普通的固体整流器一般基于半导体的p-n结[93].对于分子级别的器件要实现整流特性, 也要有与p-n结相似的性质.早期Ratner[2]有关分子整流器的设想是基于类似p-n结的有机给-受体分子.最初的分子整流器设计是基于Ratner的想法, 即将给-受体分子置于分子结中.
Sita等[94]利用自组装技术制备了金属-分子-金属结的分子整流器, 探究了金银两种基底对整流特性的影响.发现银作为基底时, 整流现象更显著.并对整流现象产生的原因进行研究, 发现整流特性源于施加偏压后, 分子与两电极间势垒高度的不对称.对此类自组装分子结器件的电子行为有了新的认识. Metzger等[95]利用金属-LB膜-金属的结构测得了C16H33-Q3CNQ分子的整流特性.为后续研究分子整流器更深层次的机理提供思路.
Tao等[96]使用STM-BJ技术来研究通过选择性去保护合成的与联苯分子相同主体不同端基的二嘧啶基二苯基分子结器件的整流特性与分子对称性以及取向之间的关系.实验中为确保在形成单分子结的过程中, 分子的取向不变, 对STM装置的压电元件额外施加了一个频率为2 kHz的正弦交流电, 可以起到对针尖与金基底的距离有0.02~0.08 nm的调制作用.通过电流的振幅随时间的变化监测针尖与电极的距离, 从而形成分子结.实验中发现, 非对称的二嘧啶基二苯基分子结器件具有明显的整流特性, 整流比为5(±1.5 V).而对称的联苯分子没有出现整流效果, 如图 22所示.为了研究其出现整流现象的具体原因, 通过理论计算得知在施加正偏压时, 由于空穴的基态波函数的非对称性导致其从针尖转移到分子的概率增加, 从而出现整流.
图 22
此外, 界面处的耦合也会引起整流.其中, 包括不同基团与电极的耦合. Kushmerick等[97]在实验上证实了通过改变锚定基团使得分子/电极界面的耦合不同可以实现整流. Wang等[98]利用STM-BJ技术, 选择末端为硫醇和氨基两种锚定基团的分子在理论和实验上再次证实了这一观点.
Venkataraman等[99]利用STM-BJ技术提出了一种新的整流机制.采用一端为固定的金-碳键连接, 另一端为不同端基与金电极相互作用制备多种分子结器件, 如图 23所示.室温下对其进行I-V测试, 发现零偏压下器件有较高的电导, 低偏压下, 器件出现了整流特性, 平均整流比为1.7(±0.8 V).对不同分子结的测试结果进行比较发现:分子/电极界面耦合强度最弱的分子整流比最大, 反之, 整流比最小.与DFT理论计算相一致.该结果表明, 可以通过设计分子调控整流比.为促进未来器件设计以及优化器件性能提供依据.
图 23
近些年来, 人们发现, 当电活性基团位于分子结中并与两电极相对位置不对称时, 由于分压效应, 可获得较高的整流比. Whitesides等[100]将带有二茂铁头基的烷基硫醇分子自组装在超平银基底上, EGaIn作为顶电极制备了分子结器件, 对其进行I-V测试得出以下结论: (1)当二茂铁的HOMO能级处于相对两端电极不对称的状态并且能量低于两电极的费米能级时可实现整流; (2)只有一个轨道(HOMO或LUMO)能级与电极费米能级相近是获得高整流比的必要条件.基于此, 该组[101]利用同样的器件结构, 通过施加正反偏压改变二茂铁的电荷输运机理而获得了大于100的整流比.
此后, Nijhuis等[102]对制备工艺进行了改进, 利用较长烷基链和二茂铁的分子结构以及用铂代替银来增强击穿电压.并且两个二茂铁单元被炔基分开, 使得两个轨道HOMO和HOMO-1都可以在低偏压下进入导电窗而得到了整流比为105的分子整流器, 如图 24所示.这种分子整流器未来可应用于超高速电子器件或纳米级器件中.
图 24
4.2 分子开关
对于某种特定材料的器件, 施加偏压, 当场强达到一定值时, 器件可由绝缘态(0)转为导电态(1);通过某种刺激(如反向电场、脉冲电流、光或热等)又可使器件由1态恢复到0态, 这种器件称之为开关器件[81].某些特定的分子也有这种开关特性, 例如具有光响应的噻吩、吡咯以及二芳基乙烯分子等.
Feringa等[103]将二芳基乙烯分子自组装在金基底上制备分子层器件, 利用不同波长的紫外光照射, 使其实现开关效应. Matsuda等[104]将二芳基乙烯二硫代苯酚吸附在金纳米粒子上制备分子器件, 通过紫外和可见光照射使其实现开关效应.但是, 由于分子与金的强耦合对分子开态的光响应有淬灭作用, 因此器件不能在开关态下自由切换[103].
为了制得可切换的开关器件, Guo等[105]采用在单壁碳纳米管(SWNT)上修饰二芳基乙烯分子的方法, 利用在紫外和可见光刺激下其非共轭(开态)及共轭(关态)结构的相互转换实现可以切换的开关效应, 如图 25所示.为开关器件的制备提供了一定的参考; 但是不足之处在于器件性质不稳定, 开关比不高.
图 25
之后, Guo等[106]将光致发光的同分异构体分子与石墨烯电极相连, 制备了分子开关.通过合理设计侧链(引入亚甲基)和锚定基团(引入氟单元)降低了分子与电极之间的耦合, 实现了稳定可切换的分子开关器件, 如图 26所示.这个研究为将分子电子器件整合到电子电路中提供了可能, 但开关比仅在几十左右.
图 26
最近, Guo等[107]利用在石墨烯上修饰二芳基乙烯分子, 在低温下通过紫外和可见光的照射使器件具有稳定可自由切换的开关特性, 如图 27所示, 达到了当时最高的开关比100.这个结果表明具有一定导电性并且能固定在固态电极上的分子可以成为未来纳米电子学的重要组成部分.
图 27
4.3 分子晶体管
场效应晶体管(FET)是一种通过栅极调控实现源漏电极的接通和断开的三端器件.在分子电子学领域, 起初大多数的研究都集中于双端分子器件.然而, 像FET这样的三端分子器件在实际中却是迫切需要的, 因为它是集成电路的基本元件.最初在碳纳米管[108]和纳米线[109]中证明了类似FET的行为, 理论模型也预测了单个分子的电导可以通过常规的FET栅极调控来改变[110].
Xu等[111]利用电化学作为栅极, 硫醇分子自组装的金电极作为源漏电极制备了n-型分子晶体管, 在室温下可通过栅极调控使源漏电流有三个数量级的改变, 如图 28所示. Lee等[112]利用光刻技术制备的金电极作为源漏电极, 用铝作为栅极首次实现了三端固态分子晶体管, 并可实现在4.2 K低温下通过栅极调控分子轨道与源漏电极的共振耦合来改变载流子的传输机制, 如图 29所示.为以后电子器件的设计及研究载流子传输机制提供了参考, 但该晶体管只能在低温下才可实现栅极调控的作用.
图 28
图 29
Zant等[113]在分子晶体管的制备工艺上做了研究, 通过化学反应以及电灼的新方法制备出用几层石墨烯连接栅极的分子晶体管, 器件的制备及性质, 如图 30所示.此晶体管在高温下也比较稳定, 同时可实现通过栅极的调控改变分子结电导.由于石墨烯电极具有很好的稳定性, 且制备简单, 有望代替常规的金属电极.
图 30
4.4 单分子识别化学物种
近年来, 对一些化学物种的识别逐渐成为人们研究的热点[114, 115], 典型的技术是光谱和色谱等.但这些技术通常需要对大量分子进行测试统计, 所以单分子水平的识别十分重要. Kawai等[114]利用MCBJ技术, 通过测量单个氨基酸分子的电导识别了20余种多肽中的氨基酸, 如图 31所示.实验与理论十分相符.
图 31
Guo等[115]利用石墨烯与羰基封端分子形成的单分子结的电流变化监测其与羟氨溶液中的亲核加成反应.随着反应的不断进行, 由于中间态和初态的能级不同而导致电流出现规律性的波动, 如图 32所示.通过观察实时电流中的两个明显波动可以直接掌握单一分子级别的基本化学反应的动态过程.并且所制备的器件稳定, 能承受化学处理和外部刺激.该方法可应用于化学与生物化学领域.
图 32
4.5 商业化应用
上面总结了分子电子学器件的几个尚处探索中的潜在应用.而分子电子器件的实际商业化应用已经实现. McCreery等[116, 117]报道了基于碳膜电极和共价连接的分子层的电子器件.他们巧妙地把这种器件的相对平坦的非线性伏安特性用于电吉他的限幅元件中.分子器件的伏安特性可以改变声音输出的奇偶谐波分布, 从而改变电吉他的音色.基于分子器件的限幅元件相比于传统二极管的限幅元件在相同奇偶谐波分布时产生出比传统二极管限幅元件更柔和的音色, 如图 33所示.由于分子结的电学行为很容易通过分子层厚度来改变, 因此, 使用不同的分子结器件组成的限幅元件可以实现一系列的音色调节.这是迄今为止分子结器件唯一在实际中的应用.展现出了分子器件诱人的前景.
图 33
5. 总结与展望
综上所述, 近十几年以来, 分子电子学的基础研究及其应用已经取得了非常丰富的成果.由于篇幅限制, 本文展示的有关分子电子学器件的制备、电荷传输机理的表征以及器件的应用等方面的进展只能是管中窥豹, 是这一领域诸多进展中很小的一部分.很多分子电子学的激动人心的进展不得不舍弃, 例如, 分子结的热电功能[118], 基于非弹性隧穿的非弹性谱[119]和基于分子结中电子涨落的散粒噪声谱等[120].更完整的进展可以参考Xiang等[24]的详细的综述和Juan Cuevas的分子电子学专著2017年第二版[25].
最后, 我们想指出这一领域有待进一步探索和解决的问题:第一, 无论是单分子器件还是单分子层器件, 在制备和测试方面, 都存在器件稳定性相对较低且重复性差, 对环境等外界因素影响较敏感等问题.因此, 如何提高器件的稳定性和重复性, 寻找合适的封装技术, 都是分子电子学走向实际应用在技术上迫切需要进一步探索和解决的问题.第二, 目前大部分的分子结器件仍然主要关注电导的变化, 分子(作为隧穿势垒)所起的作用较单一.而实际上分子的本征特征从原理上来说可以产生很多特殊的伏安特性, 从而为新型非传统器件提供基础.这些特殊伏安特性的分子器件仍有待进一步的实验探索.最后, 将分子电子学器件应用到实际中时, 如何解决分子电子学器件与主流硅基器件的兼容性问题.这些都是需要我们进一步探索和解决的问题.
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图 1 (a) 随着尖端被拉离基板, 在金STM尖端和金基板之间形成的电导以接近G0(2e2/h)的倍数减小. (b)与(a)相对应的电导直方图显示由于电导量子化而在1 G0, 2 G0和3 G0附近的峰值[14]. (c)溶液中存在诸如4, 4'-联吡啶分子, 则出现新的一系列电导台阶.这些台阶是由于在尖端和基板电极之间形成了稳定的分子结. (d) (c)对应的电导直方图, 1×, 2×和3×0.01 G0附近的峰分别归因于一个, 两个和三个分子. (e和f)在没有分子的情况下在相同的电导范围内没有观察到这样的台阶或峰[29]
Figure 1 (a) Conductance of a gold contact formed between a gold STM tip and a gold substrate decreases in quantum steps near multiples of G0 (2e2/h) as the tip is pulled away from the substrate. (b) A corresponding conductance histogram constructed as shown in (a) shows well-defined peaks near 1 G0, 2 G0, and 3 G0 due to conductance quantization. (c) A new series of conductance steps appears if molecules such as 4, 4-bipyridine are present in the solution. These steps are due to the formation of the stable molecular junction between the tip and the substrate electrodes. (d) (c) Corresponding conductance histogram, peaks near 1×, 2×, and 3×0.01 G0 that are ascribed to one, two, and three molecules, respectively. (e and f) In the absence of molecules, no such steps or peaks are observed within the same conductance range[29]
图 3 (a) 利用CP-AFM技术在金涂覆的AFM尖端和金基底之间形成的4, 4'-联吡啶结的示意图. (b)典型的电导-电压曲线以及分子结形成过程中电导随力的变化. (c)阴影区域代表高电导分子状态.下图中的阴影区域代表高电导状态内的结构重排.虚线表示分子结完全断开[37]
Figure 3 (a) Schematic of a 4, 4′- bipyridine junction formed between a gold-coated AFM tip and a gold substrate by CP-AFM. (b) Typical current-voltage and conductance-voltage curves and changes in conductance and force during molecular junction formation. (c) The shaded areas represent high-conductance molecular regimes. The shaded areas in the low panel represent structural rearrangements within the high- conductance regime. The dashed lines indicate a complete rupture of the molecular junctions[37]
图 5 (a) MCBJ示意图, 其中a, b, c, d, e, f分别为弯曲梁、反向支撑、缺口金线、胶连处、压电元件以及玻璃管. (b)典型的苯二硫醇单分子电流-电压及电导-电压曲线[5]
Figure 5 (a) MCBJ schematic diagram where a, b, c, d, e, f are curved beam, reverse support, notched gold wire, glue joint, piezoelectric element and glass tube. (b) Typical benzenedithiol single molecule current-voltage and conductance-voltage curves[5]
图 9 (a) “悬线”分子结器件和典型的I-V曲线.插图为悬浮纳米线的SEM图像. (b)三种不同的C9硫醇分子结的转变电压谱. (c)在5 K下测量的C9硫醇分子结的代表性IETS谱, 显示烷基链的特征峰(C10硫醇分子结具有相似的峰)[61]
Figure 9 (a) Representation of a "suspended-wire" molecular junction and typical I-V curves of the molecules used in this study, inset: SEM image of a suspended nanowire. (b) Transition voltage spectroscopy of three different C9 junctions. (c) Representative IETS measurements of a C9 junction measured at 5 K, showing characteristic peaks of alkyl chains (C10 junctions have similar peaks)[61]
图 11 (a) 十二烷基硫醇(C12) I-V曲线的实验值(圆形符号)和理论值(实线), 虚线表示从简单的矩形势垒计算出的I-V曲线(插图是器件结构示意图). (b) C12分子结在温度为300至80 K, 步长为20 K的I-V温度依赖性的对数关系曲线[64]
Figure 11 (a) The C12 I-V data curves that was measured (circular symbols) and calculated (solid curve). Dash line show the calculated I-V from a simple rectangular barrier (illustration is a schematic diagram of the device structure). (b) Temperature-dependent log I-V curves from 300 to 80 K with 20 K steps of C12[64]
图 13 (a) 分别为2151, 1661, 1661条I-V曲线的平均值, 其中H, M, L分别为金电极与辛二硫醇(C8DT)分子结的高中低电导. (b)测得的STM-BJ技术中金电极与对4, 4'-二氨基芪, C8DT和44bpy≡4相连的单个I-V曲线, 欧姆电阻R在三个数量级上变化[R≈1.3 MΩ到R≈1.2 GΩ][29, 30, 70~72]
Figure 13 (a) averages of 2151, 1661, 1661 I-V traces for the high- (H); medium- (M); low- (L) conductance phases of octanedithiol (C8DT) junctions with gold electrodes and (b) In the measured STM-BJ technique, the gold electrode is connected to a single I-V curve connected to 4, 4'-diaminopurine, C8DT and 44bpy≡4, and the ohmic resistance R varies in three orders of magnitude [R≈1.3 MΩ to R≈1.2 GΩ][29, 30, 70~72]
图 15 (a) 同一个分子结在几个温度下测量的I-V曲线, 插图是金属-分子-金属结的示意图. (b)在不同偏压下的ln(I)对1/T的Arnhenius点的曲线图, 显示了电导由低温下的温度不依赖转变为高温下的温度依赖.箭头显示从温度不依赖到热激活过程的转折点[74]
Figure 15 (a) I-V curves measured on one of the junctions for several temperatures. Inset is the schematic of metal-molecule-metal junction. (b) Arrhenius plots of ln(I) vs 1/T at different bias voltages showing a transition in conductance from temperature independent at low temperature range and temperature dependent at high temperature. The arrow shows the turning point from temperature-independent to thermal activated process[74]
图 17 (a) DNA分子通过糖(左)及胸腺嘧啶碱基(右)连接到两端电极. A(CG)nT和ACnGnT分别表示交替和堆叠的G序列. (b)交替(黑色方块)和堆叠(蓝色三角形)的DNA序列的电阻与序列中CG数量的关系[80]
Figure 17 (a) DNA molecules connected to two electrodes via the sugar (left) and directly via the thymine base (T, right), A(CG)nT and ACnGnT denote alternating and stacked G sequences, respectively. (b) Resistance of alternating (black squares) and stacked (blue triangles) DNA sequences versus the number of CG in the sequences[80]
图 21 (a) 电化学栅极调控结合MCBJ技术制备的具有硫代乙酰基锚定基团的噻吩衍生物单分子结示意图. (b)栅极电位从0.6~1.3 V时2, 5-TP-SAc(紫色)和2, 4-TP-SAc(橙色)分子结电导的变化(插图显示电位从-0.6~0 V的方法)[91]
Figure 21 (a) Schematics of the electrochemically gated MCBJ technique and molecular structures of thiophene derivatives with anchoring groups of thioacetyl (–SAc). (b) Tendency of the molecular conductance of 2, 5-TP-SAc (purple) and 2, 4-TP-SAc (orange) versus electrode potentials from -0.6 V to 1.3 V. Inset, magnification from -0.6 V to 0 V [91]
图 24 (a) EGaIn-HSC15Fc-C≡C-Fc-Pt分子结器件的结构. (b)在Pt(黑色线)上的分子二极管的log10|J|(V)曲线在有(红色实线)和没有(红色虚线)偏压依赖时与理论的拟合[102]
Figure 24 (a) Structure of HSC15Fc–C≡C–Fc molecular junction device. (b) log10|J|(V) curve of the molecular diode on Pt (black dots) with fits to with (solid red line) and without (dashed red line) the functional n(V)[102]
图 25 (a) 单个SWNT电极末端之间的分子桥以及在共轭和非共轭的分子结构之间切换示意图. (b)单独的开态SWNT器件以及经UV照射后器件变为关态[105]
Figure 25 (a) Molecular bridge between the ends of a single SWNT electrode and switching between conjugated and non-conjugated molecular structures. (b) Schematic diagram of a separate open-state SWNT device and the device becomes off after UV illumination[105]
图 26 (a) 石墨烯-二芳基乙烯-石墨烯结的开关态切换及分子结构. (b) VG=0 V时的开态(红线)和关态(暗线)的I-V特性, 插图显示了开态的放大I-V曲线[106]
Figure 26 (a) Switching of graphene-diarylethene junctions and molecular structure. (b) I-V characteristics of open (red line) and closed (dark line) states at VG=0 V. The inset shows the enlarged I-V curve for the open state[106]
图 27 (a) 石墨烯-二芳基乙烯-石墨烯分子结的示意图, 明亮处是通过亚甲基连接的分子桥. (b)栅极电压VG=0 V时单个二芳基乙烯分子结的开态(黑线)和关态(红线)的I-V特性. VD是漏极电压, ID是漏极电流[107]
Figure 27 (a) Schematic of a graphene-diarylethene-graphene junction that highlights the expansion of the molecular bridge by methylene groups. (b) I-V characteristics of individual diarylethenes in open (black line) and closed (red line) format gate voltage VG=0 V. VD is drain voltage; ID is drain current[107]
图 28 (a) 具有电化学栅极的单分子晶体管的示意图. (b)单个PTCDI分子晶体管的源极-漏极电流(Isd)与栅极电压(Vg)的关系, 从电导直方图的峰值位置获得空心方块, 通过在扫描栅极电压的同时直接记录源极电流获得实线[111]
Figure 28 (a) Schematic of a single molecule transistor with an electrochemical gate. (b) Source-drain current (Isd) versus gate voltage (Vg) for a single PTCDI molecule transistor. The open squares were obtained from the peak position of the conductance histograms. The solid lines were obtained by directly recording the sourcedrain current while sweeping the gate voltage[111]
图 29 (a) 在4.2 K温度下对于不同的VG值测得的具有代表性I-V曲线, 插图显示了器件结构和原理图, 其中S, 源极, D, 漏极, G, 栅极, 比例尺: 100 nm. (b) dln(I/V2)/d(1/V)的二维彩色图, 显示出了对应于四个不同区域(点A~D)的能带图, F-N隧穿到DT(直接隧穿)[112]
Figure 29 (a) Representative I-V curves measured at 4.2 K for different values of VG. Inset, the device structure and schematic. S, source; D, drain; G, gate. Scale bar, 100 nm. (b) Two-dimensional colour map of dln(I/V2)/d(1/V) (from Fowler-Nordheim plots). Energy-band diagrams corresponding to four different regions (points A~D) are also shown. F-N tunnelling; DT, direct tunneling[112]
图 30 (a) 在少层石墨片中形成纳米尺寸的间隙(顶部)之前和之后(底部)反馈控制的电动加热过程示意图, 以及电流电压(I-V)(绿色箭头)的演变.第一个I-V曲线以红色显示. (b)在10 K下由9Accm分子桥接之前和之后的电导与所施加的纳米间隙电极的背栅极电压的关系曲线[113]
Figure 30 (a) Schematic of the feedback-controlled electroburning process, before (top) and after (bottom), the formation of nanometer sized gaps in few-layer graphite flakes. and Current-voltage (I-V) traces of the evolution (green arrow) of the feedback-controlled electroburning. The first I-V trace is displayed in red. (b) Conductance as a function of the applied back-gate voltage of the nanogapped electrodes bridged by 9Accm molecules at 10 K. While the empty nanogap electrodes show no dependence of the applied back-gate voltage, a clear conductance modulation as a function of Vg is observed after deposition of 9Accm molecules[113]
图 33 (a) 使用SIM卡引脚排列制作分子结的照片, 以简化测试并集成到模拟电路中. (b)将分子结器件应用于电吉他的放大器元件的示意图. (c)分子结器件与传统二极管器件的I-V特性. (d)不同频率下, 传统二极管与分子结器件的奇偶谐波分布[116, 117]
Figure 33 (a) Photograph of the molecular junctions fabricated using a SIM card pin out to simplify testing and integration into analog circuits, as shown at right. (b) Schematic diagram of applying a molecular junction device to an amplifier component of an electric guitar. (c) I-V characteristics of molecular junction devices and conventional diode devices. (d) Odd and even harmonic distribution of conventional diode and molecular junction limiting components at different frequencies[116, 117]
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