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单分子器件的精准制备和原位高灵敏测量技术
成果信息
立项支持
  • 公布年份:
    2017
  • 中图分类:
    TN389
  • 关键词:
  • 成果简介:
    构筑任何一个单分子器件的基本思路是将单个分子镶嵌在两个电极之间,形成“电极-分子-电极”的纳米连接(单分子裂结器件)。国际上通常是利用金属作为电极来实现这种连接,从而形成“金属电极-分子-金属电极”的连接器件。可以采用两个方法来实现:①采用扫描隧道显微镜(STM)或导电原子力显微镜(CP-AFM)构筑模型器件;②采用纳米间隙的电极对来构建原理性的连接器件。中国已经具备开展单分子电子器件研究的坚实基础,形成了在国际上有重要影响力的实验和理论研究队伍,在功能分子材料、单分子器件制备方法和功能单分子电子器件等方面取得了一系列原创性成果。在此即将获得突破的背景下,该项目汇聚国内主要实验和理论力量,以发展材料在单分子水平上综合物性的原位高灵敏测量技术和制备高性能单分子元件为目标,建立单分子综合物性原位高灵敏测试的可靠平台,提升单分子输运性能及其调控的研究手段和水平。主要研究内容:研究沿着从“功能分子à理论模型à实际器件”这一研究思路,主要研究内容:首先发展高稳定单分子器件构筑方法学,特别是碳基单分子器件和单分子裂结器件,以满足后续器件的功能化和集成。在该基础上,发展单分子器件的综合物性测量技术,并与第一原理新方法相结合,实现光电磁等外场对单分子新奇效应的调控。基于上述工作基础以及微电子器件的基本元器件,借助功能导向的分子工程学,开发实用且高性能的分子电子器件,并实现高密度器件阵列的演示,如图所示。(1)碳基单分子器件的精准制备关键技术的建立。发展制备原子级可控石墨烯纳米电极的方法,利用电极与分子间不同界面,探索异质界面可能引起的新奇量子现象,研究分子材料的本征载流子输运性能和光电转换功能。(2)单分子原位高时间分辨率动力学的研究。结合锁相放大器和高性能示波器发展低噪音、具有纳秒级时间分辨率的电学实时检测技术,研究有机基元反应及超分子组装的动力学过程,揭示和发现反应及超分子组装的内在新机制;揭示生命现象的本征规律,为准确的分子诊断和个性化治疗发展新的可靠途径,为疾病的早期预防、早期诊断和治疗发展关键性技术。(3)单分子电学测量和拉曼光谱的联用表征技术的发展。发展结合微纳加工和电化学沉积的机械可控裂结芯片制备技术,并探索基于二维材料电极的单分子异质结的原位拉曼光谱表征方法。(4)高性能单分子电子器件的研制。沿着“功能分子设计合成→单分子与电极的精准结合→单分子器件电输运性能测试及多场耦合调控”这一思路,重点研究单分子器件在电输运过程中的开关/整流效应、量子干涉、自旋涨落等单分子尺度独特现象,发展电学性能优于传统器件的分子晶体管、分子整流器、分子级自旋元件等一系列新型单分子器件。(5)单分子器件的新理论和新模型。通过对相关理论计算模拟方法的发展和完善,针对单分子自身特性,分子与电极间的耦合以及外场和外部环境对分子影响的系统性考察和研究,探索单分子尺度下可能产生的新奇物理化学现象,建立单分子器件新的理论模型。(6)1000个单分子器件集成的演示。结合CVD生长石墨烯技术和光刻技术,发展基于碳基电极的单分子器件图案化设计和集成策略,探索与硅基芯片兼容的碳基纳米间隙批量加工技术,初步实现1000个单分子器件集成演示。
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