微纳电子材料与器件

上海大学2013 ～2014学年冬季学期研究生课程考试

课程名称：微纳电子材料与器件课程编号： 10SAZ9002 论文题目：分子导线、分子开关

研究生姓名: 葛升学号: 13721557 论文评语:

成绩: 任课教师: 沈悦

评阅日期:

注：后接研究生小论文，格式参照公开发表论文的样式。

分子导线、分子开关摘要：器元件的尺寸不断的缩小，随着大规模集成电路向超大规模集成电路进发，就必须采取与传统工艺截然要解决这些问题，件工艺开始面临各种各样的限制。而其中一种备受关注的就是从原从而实现器件尺寸的进一步减小。不同的思路，子分子系统出发，制造出分子电子器件，通过原子分子的组装实现器件的集成，本文就分子导线和分子开关展分子计算机等。从而制备出分子电路、分子开关、其中包括生物分子开关的应工作

原理以及实现方法。开讲述，具体介绍其分类、用和利用分子开关构造二进制逻辑单元等。关键词：超大规模集成电路、分子导线、分子开关、逻辑单元Abstract:

With large scale integrated circuit marching to very large scale integration(VLSI), the size of components constantly shrinking, and device technology began to face a variety of constraints. To solve these problems, we must take very different ideas with the traditional process to achieve further reduce the size of the device. The one concern way is that creating a molecular electronic devices start from the atomic and molecular systems and devices to achieve integration by assembling atoms and molecules. Thereby preparing a molecular circuit, molecular switches and molecular computers. In this paper, we will introduce the classification, working principle and implementation methods of molecular wires and molecular switches. Including the biomolecules switching applications and using molecular switch construct a binary logic unit.

Keyword: VLSI, Molecular wires, Molecular switches, Logic unit

1.引言

在大规模集成电路向超大规模集成电路进发的过程中，摩尔定律指出硅片上集成的元件数目每隔18个月将增加1倍，元件的尺寸也会不断的缩小，按照这一定律，器件的几何尺寸将在2015年左右达到纳米量级。在更小的器件尺度上，器件工艺面临如下几个方面的限制：

量子力学的限制。按照量子力学理论，电子具有波粒二象性，当器件尺寸减小到纳米量级(小于35nm)时，电子则以波动性为主，这时电子器件是通过控制电子波的相位来工作的，器件的工作原理已经发生子根本的变化，在这个尺度，不能再按照传统的器件工作原理来设计器件。

热力学限制。当器件尺寸缩小时，热起伏会限制器件性能的一致性，使器件无法正常工作。

[1]。芯片上器件的尺寸与光刻上艺中使用的光的波长有关，光刻工艺的限制光波长越短，制备的器件越小，目前无法制备波长小于157nm光聚焦用的透镜，因此现在的光刻工艺还不能制备出更小的器件。

功率耗散的限制。由于随着元件尺寸不断减小，导线不断变细，导致器件的电阻增加，器件的热耗散增大，这限制子器件集成度的进一步提高。

此外，随着器件尺寸的减小，还会出现电流、电压感应击穿现象，同时使器件的结构复杂化，制作成本上升。

要解决这些问题，就必须采取与传统工艺截然不同的思路，从而实现器件尺寸的进一步减小。随光刻技术的不断发展，传统自上而下的电子芯片制造组装技术到达极限，人们开始试着自下而上从原子分子系统出发，制造出分子电子器件，通过原子分子的组装实现器件的集成，从而制备出分子电路、分子开关、分子计算

机等。

2.分子导线

导线是电路中不可缺少的一种元件，它把各种各样的电子元件连接在一起，起到子信息和能量传输的作用。同样，我们要设计分子电路，要将分子电路中各[2]。

种分子元件连接起来称为一个有机的整体，就需要分子导线分子导线概念2.1

其传导分子导线是由单个分子或多个分子构成的能够起到传导作用的体系，

的对象不仅包括电子和空穴，还包括光子、孤子、自由基电子、极化子和双极化子等。并连接到外部世分子导线能够将一个个分子器件相互连接构成分分子电路，界，有效的分子导线是实现分子器件之间以及分子器件与外部连接的关键单元。其导电性质基于化合物的极分子导线，是一种一维链状并且高共扼的分子，

化或者电荷转移，分子中应至少存在一个共扼单元。2.2 分子导线特点分

子导线通常都具有如下特点：有共扼结构的导电长链；π含有两个极性的能进

行可逆电子交换的活化基团终端；

分子链具有是够的长度；

与周围绝缘以阻止电子的任意传输。

2.3 超分子分子导线

作为研究分子间非共价键相互作用的化学，超分子化学在分子导线的设计上具有其独到的优势。它对分子导线的关注最初来自于从仿生学的角度研究生物媒[3]，因此这一类型的分介的穿膜电子传送TEF(Trans-membrance electron transfer)子导线在结构上通常都具有如下的特点：

允许电子传导的P-共轭长链；

含有两个极性的、能进行可逆电子交换的活化基团终端；

链具有是够的长度，可与单分子或双分子膜一类的支撑体的厚度相匹配。

2.3.1 传导电子的分子导线

将类胡萝卜素(Carotenate)的多烯结构与甲基紫(Methyviologen)的氧化还原特性

组合起来，在长链共轭多烯烃两端连上N-取代吡啶基的Caroviologen型分子导线，如图1所示。它是众多分子导线之中最有代表性的一个，大量研究都表明它的长链与双分子膜的厚度相匹配，并且确实可以起到功能化的分子导线作

用。．

型分子导线Caroviologen图 1

非线型光学分子导线2.3.2

在类胡萝卜素的多烯主链两端不对称地修饰上Caroviologen结构为基础，以，TC-NQ(Acceptor)具有电子授受能力的基团，如苯并二硫、THF(Donor)，吡啶、[4]分子导线，可以表现出良好的非线型光-拉型(Push Pull)所得到的高度可极化推

学特性。

图 2 类胡萝卜素卟啉- 苯醌(C-P-Q )分子导线

2.3.3 离子传导隧道型分子导线

从大量环状化合物和载体分子的选择性键合作用中得到的信息为设计离子性分子器件提供子基础。无论是通过大环化合物在管状中间相有组织的堆积，还是通过聚大环单元的轴向桥连，都可以形成分子管束，从而为离子的输送提供隧道。

带有适当取代侧链的大环多胺沿与环平面垂直的轴向堆积所形成的盘状分子，如图3，可以在膜间形成管状中间相，从而成为一种传导离子型分子导线。

3 盘状分子离子型分子导线图

的超分子体系时非常巧妙地设计出子一ether)George等在研究套索醚(Lariat

。套索即连接在冠醚环conductingchannel)种如图所示的阳离子传导隧道(Cation ，这种侧臂的桥连增加子冠醚对阳离子的络合作用，从而形(Sidearms)上的侧臂成子环环相串的阳离子传导隧道。

图 4 环环相串的阳离子传导隧道

将数条链嫁接到构成有序的中间核多官能大环分子支撑单元上，可以得到一种结构独特的Chundle型穿膜离子隧道。Chundle的意思可理解为“隧道束”，即[5]。(Channel+bundle)

这种分子是一种有组织的、官能化的纳米结构，对中心大环化合物进行适当的修饰和选择后，它可在分子离子器件方面表现出极大潜

力。．

图 5 Chundle型穿膜离子隧道

2.4 一维盘状液晶分子导线

在六取代三苯并环类分子结构中，三个苯并基外侧均由良好绝缘性能的正己烷氧基链所环绕，将少量具有缺电子空轨道的分子(如AlCl3，NOBF4)掺入到盘状液晶分子中，使具有共轭体系的三苯并环中心出现正电荷空穴。当在沿三苯并环中心轴方向施加一定的电压时，环内电子就可做定向移动。

图 6 三苯并环类盘状液晶(HAT6)形成的分子导线

由四硫富瓦烯(TTF)衍生物自组装成的分子导线和线缆属于有机电荷复合体形成的正离子自由基盐聚合物具有金属导电性。在示意图中，导电TTF系，由．

部分由部分氧化的TTF分子的P-P相互作用实现。与普通宏观导线相比，轴向堆积的TTF为导电核，两端大的亲水基团则缠绕成为包围内核的绝缘外层。

图7 四硫富瓦烯(TTF)衍生物自组装成的分子导线和线缆

2.5 核酸型分子导线

DNA分子以其独特的双螺旋结构和它在生物、生理学上的意义一直都是众多学科所关注的热点，现在分子电子学家也逐渐认识到子DNA分子在构筑分子[6]。器件，尤其是生物分子计算机方面所具有的巨大价值

焦家俊提出子如图8所示的核酸型分子导线原理。他的设想是以脱氧核糖核酸作导线，再使其两端分别连接具有共轭体系的有机分子作为能量接受端和能量释放端，从而使能量借助脱氧核糖核酸得以传导。

图8 核酸型分子导线

3. 分子开关

3.1 分子开关概念

所谓分子开关就是具有双稳态性质的分子体系。可以认为，凡通过外界刺激可以可逆地在两种状态间发生转化的任何分子体系都是分子开关。

当外界光、电、热、磁、pH等条件发生改变时，分子的几何结构或化学性质会随之改变，这些变化可以用于信息的存储与传输。如图所示，触发分子开关[7]。针尖触发，pH调控等的条件通常有光、电驱动，氧化还原反应，STM