分子电子学
分子电子学中的电子传输和能量转移
分子电子学中的电子传输和能量转移电子传输和能量转移在分子电子学中是极其重要的研究方向，它们的理论研究和实验应用对于许多领域都具有关键性的意义。
本文主要从理论和实验两个方面来介绍电子传输和能量转移的研究进展，并探讨它们在染料敏化太阳能电池和有机发光二极管等实际应用中的意义。
一、电子传输电子传输指的是电子在分子间或分子内的传输过程，是分子电子学研究的核心内容。
在分子电子学中，电子传输的研究涉及到电子结构计算、电子传输的机理以及电子的输运性质等方面。
1.1 电子结构计算电子结构计算是电子传输研究中的一项基础工作，它用来计算分子的电子结构。
目前，常用的电子结构计算方法有密度泛函理论(DFT)、扩展赫兹伯格方程(EHT)和密度泛函紧束缚方法(DFTB)等。
1.2 电子传输及机理电子在分子间传输的机制被称为“穿越”现象，主要有隧道效应、傅里叶相移等机制。
同时，电子的传输速度和传输距离也受到各种因素的影响，如温度、形状和有机配基的选择等。
1.3 电子的输运性质电子的输运性质研究主要涉及到传输性质、输运特性以及输运载体等内容。
其中，传输性质指的是电子在分子间传输的速度、传输路线以及电子聚合等现象，而输运特性指的则是分子间的输运距离和输运效率等。
二、能量转移能量转移是分子电子学中的另一个研究热点，它指的是在分子中，能量从一个分子传递到另一个分子的过程。
能量转移的研究主要关注能量转移的机制、影响因素以及能量转移的效率等。
2.1 能量转移机制分子中的能量转移机制包括强相互作用机制和远程作用机制两种。
其中，强相互作用机制指的是两个分子之间距离很近时发生的能量转移现象，而远程作用机制则指的是两个分子间三维结构变化时发生的能量转移。
2.2 影响因素能量转移的效率受到多种因素的影响，如距离、金属离子、溶剂极性和环境温度等。
其中，距离是最主要的影响因素，它可以显著地影响能量转移过程的效率。
2.3 能量转移的效率能量转移的效率可以通过实验或计算方法来确定，常用的实验方法包括荧光寿命测量法和荧光光谱法等，而计算方法则包括密度泛函理论和半经验方法等。
物理学研究进展-分子动力学 等离激元篇
物理学领域研究进展分子动力学/等离激元一、分子动力学模拟所谓分子动力学模拟，是指对于原子核和电子所构成的多体系统，用计算机模拟原子核的运动过程，九从而计算系统的结构和性质，其中每一原子核被视为在全部其它原子核和电子所提供的经验势场作用下按牛顿定律运动．1957年， Alder和Wainwright首先在硬球模型下，采用分子动力学研究气体和液体的状态方程，从而开创了利用分子动力学模拟方法研究物质宏观性质的先例．后来，人们对这一方法作了许多改进，并运用它对f酣体及其缺陷以及液体作了大量的研究．但由于受计算机速度及内存的限制，早期模拟的空间尺度和时间尺度都受到很大限制．21世纪80年代后期，由于计算机技术的飞速发展，加上多体势函数的提出与发展，为分子动力学模拟技术注入了新的活力．分子动力学模拟不仅能得到原子的运动细节，还能像做实验一样进行各种观察．对于平衡系统，可以用分子动力学模拟作适当的时间平均来计算一个物理量的统计平均值．对于非平衡系统，发生在一个分子动力学观察时间内(一般为(1—100)ps)的物理现象也可以用分子动力学计算进行直接模拟．特别是许多在实际实验中无法获得的微观细节，而在分子动力学模拟中都可以方便地观察到．这种优点使分子动力学存物理、化学、材料科学等领域研究中显得非常有吸引力[1-4]。
现在每年发表的关于分子动力学模拟有关的文献达千篇．分子动力学模拟虽然不如第一原理模拟精确，但以程序简单，计算量小，可计算的原子体系大大超过第一原理等方法，而保持有巨大的发展和应用前景[5,6]。
对于非平衡系统，其分子动力学模拟的过程包括初始条件和边界条件的确定、牛顿方程的有限差分求解和作为时间函数的感兴趣量的提取．对于平衡系统，其分子动力学模拟的过程与非平衡系统的差别在于感兴趣量及边界条件与时间无关。
分子动力学模拟的初始条件：系统的初始位形和初始速度可以通过实验数据，或理论模型，或两者的结合来决定．如果被模拟的系统具有初始密度分布n(r)和温度分布T(r)，而没有固定的晶格结构，则每个原子的位簧可以从初始密度分布n(r)，用舍选法或Metropolis等方法得到．每个原予的初速度，则可以从初始温度分布T(r)下的Maxwell-Boltzmann分布来随机选取．Maxwell-Boltzmann 分布可以用。
分子电子学的研究进展
分子电子学的研究进展分子电子学是一门在化学、物理、计算机科学等学科交叉领域中的前沿科学。
通过研究分子的电子结构、电子转移和电子响应等特征，可以深入了解分子生物学、物理化学及材料学等领域中许多现象和过程。
本文将概述分子电子学的一些研究进展，包括分子的电子传递、电子输运、电子耦合、电荷传输、电磁响应、能量传输等方面。
一、分子的电子传递电子传递是分子电子学的基础研究领域之一。
在分子体系中，当电子从一个分子向另一个分子或物质转移时，就产生了电子传递。
如何控制分子的电子传递是分子电子学研究的重要课题之一。
电子传递的研究不仅有助于了解光合作用过程，还有助于设计和制造具有特殊性质的材料及生物分子机器等。
二、电子输运电子输运是分子电子学中的另一个重要领域，它研究的是电荷在分子体系中的传输和运动。
电子输运和电子传递不同，电子传递通常涉及的是相对距离较远的分子体系，而电子输运强调的是分子内部的电荷传输。
对于新型电子输运材料的研究，旨在探索新型电荷传输机制，并可应用于制备新型材料。
三、电子耦合电子耦合研究了分子中电子与其它特定分子或物质之间的相互作用。
电子耦合机制很重要，在分析分子反应动力学过程和电子传递路线中具有关键性的作用，并有可能在分子机器和电子设备的设计中得到应用。
四、电荷传输电荷传输是分子电子学中关键的一个概念和课题。
电荷传输方面的研究以电子-洽物识别、化学催化和新型材料的设计为主线，对工业生产及环境保护等方面具有重要的应用价值。
在这个领域中，分子电子学研究中心正在合作开展基础研究和工业应用的联合科研计划。
五、电磁响应电磁响应是分子电子学的另一重要研究方向之一。
分子的电磁响应性质涉及到分子的光学和电学性质等，这方面的研究有助于理解分子的光学性质、电学性质和结构性质等，同时也可促进分子内部电荷和电子的相互作用研究。
六、能量传输能量传输是分子电子学研究中的另一个重要方向。
在分子体系中能量的传输如同电子传递和电子输运一样，具有深远的应用前景，具有理解和设计分子机器，制造新型能源材料等的重要意义。
分子光电子学的现状与研究方向
分子光电子学的现状与研究方向分子光电子学是一门涉及分子结构、电子结构、光学特性等多个领域交叉的学科，近年来在化学、物理、材料、生物等方面都得到广泛应用和研究。
本文将介绍分子光电子学的定义、研究现状和新兴方向。
1.分子光电子学的定义分子光电子学是一门研究分子中电子的光学响应的学科，涵盖的范围包括：分子内的光物理、光化学、分子光谱学、超快动力学等。
分子光电子学研究如何将分子内能量转化为外部电磁辐射，并探究这种过程的动力学行为和规律。
研究分子内外部光场的相互作用，从而探索光与分子之间的特殊关系，为研究分子性质提供了良好的理论和实验基础。
2.分子光电子学的研究现状2.1 分子内光物理分子内光物理指分子内发生光激发后发生的光物理现象，例如荧光、磷光、双光子吸收等；其中，荧光和磷光均为分子内电子在激发态上跃迁到基态上发生放光现象。
通过控制分子的光吸收和光发射特性，可以快速、准确地检测分子的性质变化，如分子结构形变、分子流动性质等。
2.2 超快动力学超快动力学是研究分子物理化学反应和动力学行为的重要分支，其时间尺度通常在飞秒级别。
例如，在化学反应时，反应物在极短的时间内发生电子的迁移和化学键重组，超快动力学技术可以通过实时探测等手段捕捉到分子反应过程中的瞬态特征，并研究其动力学机制。
2.3 分子光谱学分子光谱学是研究分子吸收和散射光的光谱学方法和分析。
通过分析分子的光谱学特征，可以了解分子结构、电子态、振动态等信息，以及分子与光子相互作用的机制。
常用的分析手段包括近红外光谱、拉曼光谱、紫外可见光谱等。
3. 分子光电子学的新兴方向3.1 分子磁学传统的分子光电子学研究通常只考虑分子中电子的运动和光电转换行为，而忽略了电子自旋和磁性。
近年来，分子磁学逐渐成为分子光电子学的研究热点。
分子磁学旨在研究分子中电子自旋的行为和调控，以及分子自由基、离子等物种的稳定性和催化性质。
3.2 单分子光学单分子光学指从单分子层面研究分子的光电特性和相互作用，为了克服传统光学技术研究中样品周围的复杂噪声干扰，单分子光学技术专门改进了成像和测量方法，从而使得在极低光强下获取到准确的分子光学信息成为可能。
分子电子学中的电荷传输现象
分子电子学中的电荷传输现象随着科技的不断发展和进步，分子电子学已成为材料科学中备受关注的领域之一。
在过去的几十年中，分子电子学已经得到了极大的发展，人类对于分子电子学的理解也不断提升。
其中，电荷传输现象是分子电子学中的一个重要问题，也是分子电子学发展的核心。
一、电荷传输现象的定义及意义电荷传输现象，是指由于电场的作用，电荷在不同基元分子之间的变化过程。
可以理解为电子在不同分子之间的传输过程。
电荷传输现象在分子电子学中具有非常重要的意义。
因为大部分分子中，电子都是通过电荷传输现象来传递能量的。
因此，电荷传输现象也是分子电子学中研究电子能量传递的重要方面。
二、电荷传输现象的机理原理电荷传输现象是分子电子学中的一项难点问题，其机理原理也相对复杂。
但经研究发现，电荷传输现象的关键是分子间的电子相互作用。
对于电子的相互作用有两类，一类是空间电荷作用，一类是电场作用。
在空间电荷作用中，由于分子间的电子互相排斥，具有一定排斥力，因此电子的空间位置必须具有一定的配对能力。
在电场作用中，由于电子在电场的作用下存在电势差，因此电子在电场的作用下具有向某种方向移动的趋势。
综合起来，电荷传输现象的机理是由空间电荷作用和电场作用所共同构成。
不同情况下，其机理也会有所变化。
例如在分子间距离较近的情况下，空间电荷作用是相对占优势的。
三、电荷传输现象的应用价值电荷传输现象的应用价值非常高。
首先，电荷传输现象为分子电子学中的电子传输提供了理论基础，有助于我们更好地理解电子在分子间的传输机制。
同时，电荷传输现象的研究也为材料科学中的分子设计和合成提供了理论指导。
此外，电荷传输现象在太阳能电池、有机电子器件中也具有非常重要的作用。
例如，在太阳能电池中，通过电荷传输现象，太阳能可以转换成电流，产生电能。
在有机电子器件中，电荷传输现象也可以通过分子结构的设计，达到控制电子性质的目的。
四、电荷传输现象的发展方向电荷传输现象是分子电子学发展的重要方向之一。
分子电子学中的电荷输运与其它相关理论
分子电子学中的电荷输运与其它相关理论分子电子学是研究分子内部电子结构和电子运动规律的学科。
其中，电荷输运是分子电子学中的一个重要研究方向，是研究分子内部电子从一个位置到另一个位置的运动规律和机制。
本文将介绍分子电子学中的电荷输运和其它相关理论。
一、电荷输运电荷是一种基本粒子，在分子中的运动可以决定化学性质和光电性能等。
电荷输运是研究电荷从一个位置到另一个位置的物理过程，是分子电子学中的一项重要研究内容。
1.1 电荷传递分子中的电子可以跃迁到另一个分子或基团，此时电荷被传递到新的分子或基团。
电荷传递过程中，需要考虑每个分子或基团中的能级结构和能量差，以及电子跃迁的机理。
1.2 电荷跨越电荷跨越是指电子从一个分子或基团通过空间障碍跨越到另一个分子或基团。
电荷跨越过程中需要考虑空间距离、障碍高度、电子自旋和态密度等因素。
1.3 电荷扩散电荷扩散是指电子在分子中自由运动的过程。
电子扩散受到分子内部的结构和场的影响，需要考虑分子间隔离、空间结构、分子间相互作用和外部场的作用等。
二、电子输运机制在电子输运过程中，电子的输运机制是决定电子输运行为的重要因素。
在分子电子学中，有许多理论用于描述电子输运机制，如：2.1 偏压输运理论偏压输运理论是一种描述分子中电子输运行为的物理模型。
该理论认为电子在分子中的运动受到分子结构、电场、温度、杂质等因素的影响，通过计算电子在这些场中运动的概率来描述电子的输运行为。
2.2 热激光输运理论热激光输运理论是一种描述分子中电子输运行为的统计方法，通过统计电子的距离分布和动力学行为来描述电子的输运行为。
该理论可以用来预测电子输运的温度和电场依赖性。
2.3 格林函数理论格林函数理论是一种描述分子中电子输运行为的量子力学方法，通过计算分子中不同点电子的格林函数定义了电子的能量分布和输运行为。
该理论可以用于解析和数值计算电子输运的时间和空间行为。
三、电荷输运与材料设计电荷输运在材料和器件的设计和开发中具有重要意义。
单分子电子学的研究进展
单分子电子学的研究进展单分子电子学是物理学、化学学科交叉领域的一个重要分支。
它研究单分子在电极表面的电子输运特性，主要包括单电子传输、Coulomb阻挫效应、电子与振动的相互作用等。
这些研究对于现代信息技术的发展、纳米电子学的发展和现代能源的应用都有着重要的意义。
本文将就单分子电子学的研究进展做一简要介绍。
一、单电子传输作为单分子电子学的基础部分，单电子传输一直是该领域的研究重点。
最近的研究表明，单电子传输是受分子自旋态影响的。
在一些配位化合物中，它们的自旋态可以在分子内部进行相互作用，进而影响到它们在电极表面上的电子传输特性。
另外，基于单电子传输的电荷转移现象，科学家们提出了一个有趣的理论：在配位化合物中，伴随着电荷转移，它们的自旋态可以发生改变。
然而这个理论并没有得到实验验证，尚需更多的研究来证实这个理论的正确性。
二、Coulomb阻挫效应Coulomb阻挫效应也是单分子电子学中经常被研究的一个问题。
考虑一个单分子在电极表面上的电子传输过程中，电荷之间的Coulomb相互作用会引起电子的弹性散射，因此进一步影响它们的传输性质。
最近的研究表明，基于Coulomb阻挫效应的研究可以促进纳米电子学的发展。
科学家们提出的“电子排斥阵列”理论可以在纳米电子学中应用。
这个理论认为分子内部的电子排斥力可以被利用来控制电子传输和分子结构。
进一步，研究这个理论不仅有助于我们对于纳米电子学的理解，还有助于我们设计新型的分子电子元器件。
三、电子与振动的相互作用电子与振动的相互作用是单分子电子学中的另一个重要问题。
它们之间的相互作用不仅会影响到电子传输的性质，而且还有助于我们分析分子中的内在结构和动力学特性。
最近的研究表明，电子与振动的相互作用对于分子内部的电控制特性有着重要的意义。
科学家们研究了在配位化合物中不同的振动模式对于电子传输的影响，发现它们可以通过电控制来调节分子的振动，进而影响到分子的电子传输性质。
总结总之，单分子电子学的研究进展在很大程度上促进了现代科学技术的发展。
分子电子学分子电子器件介绍、特性和应用
分子电子器件介绍、 特性和应用
分子导线电性能测量的两种方法
一、直接把导线置于两电极之间或 电极和测量仪器(STM或AFM等)的 针尖之间进行测量(直接法) ； 二、在分子导线两端分别引入富电 子和缺电子的端基(通常为过渡金 属)，通过相对简单的谱学测量即 可得到电子通过导线传输的信息( 间接法)
单分子场效应管 NATURE VOL 417 13 JUNE 2002
分子闸流管
分子闸流管的作用相当于普通固体器件中的 可控硅，可以使用具有非易失性(信号一旦写 入，能够持续很长时间)的电双稳材料制成。 与传统的可控硅相比，分子闸流管用于脉冲 电路和控制器系统时，具有响应速度快、功 耗低、动态电阻小的优Байду номын сангаас。
基于光诱导分子构型变化的开关
Fig.2. The photoinduced inclusion of 4,4’-bipyridine(45) inside the cavity of the azobenzene-capped cyclodextrin derivative 44(H2O, pH 7.2, 298K).The 4,4’-dicarbonylazobenzene unit is attached to two of the primary oxygen atoms of the cyclodextrin derivative
A schematic 3D description of an atomic force microscope (AFM).
将单分子的电流更精确 地测量出来．实验者将 一根金线浸泡在1，4-苯 二硫醇的THF溶液里， 金线的表面将吸附一层 该分子的SAM，缓慢拉 伸金线，并最终使其断 裂，于是便产生两个靠 得很近的针尖，操纵针 尖缓慢靠近，直到有一 个1，4-苯二硫醇分子跨 接到两个针尖之间，测 试表明，一个1，4-苯二 硫醇分子可以允许0.1 mA的电流通过
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分子电子学董 浩 邓 宁 陈培毅(清华大学微电子学研究所,北京100084)摘 要:作为纳米电子学的一个重要分支,分子电子学在近年来得到了巨大的发展,并成为国际上研究的热点。
本文介绍了各种分子器件的制作技术及基本工作原理,回顾了近年来分子电子学的最新进展,展望了分子电子学的未来发展。
关键词:分子电子学 分子电子器件 分子导线 分子开关 分子存贮器 分子整流器 有机场效应晶体管Molecular ElectronicsDONG H ao DENG Ning CHEN Peiyi(Institute of Microelectronics,Tsinghu a U niversity,B eijing100084)Abstract:As one of the most i m portant parts of nanoelect ronics,molecular elect ronics have att racted more and more attentions and developed signif icantly.This paper i nt roduces the f abrication technolo2 gy and the basic pri nci ple of molecular devices.The latest developments of the molecular elect ronics are reviewed as well.Fi nally,the f urther t rends are also discussed.K ey w ords:molecular elect ronics,molecular elect ronic devices,molecular w i re,molecular sw itch, molecular memory,molecular rectif ier,O FE T引言经历了多年的发展后,目前超大规模集成电路的发展即将面临着极大的挑战,这些挑战包括原理性的物理限制、技术性的工艺限制等等。
为了解决这些问题,向纳电子学的过渡已成为微电子学发展的必然趋势。
而作为纳电子学的一个重要组成部分,分子电子学也越来越受到重视。
研究可控制或调制分子光电特性的材料、器件和基本构架被称作“分子电子学”[1]。
诺贝尔奖获得者Feynman关于“从单个分子甚至原子开始进行组装”的猜想被认为是分子电子学概念的来源。
20世纪70年代,科学家们逐步提出了分子器件的具体设想。
1974年Aviram和Ratner提出了关于分子整流器的设想[2]。
针对分子器件结构、性质等的一系列实验也随即展开。
进入80年代,相关实验技术,如Langmuir-Blodgett(LB)膜、自组装(SA)技术、有机分子束外延生长(OMB E)和扫描探针显微镜(SPM)等技术的发展,更是大大促进了分子器件的研究。
本文介绍了用于分子器件研究的基本制作方法,阐述了几种分子器件的基本工作原理,并对分子电子学的发展进行了总结和展望。
1 分子合成及器件制作技术目前广泛应用于分子器件研究的主要方法包括:STM技术、LB膜技术、自组装技术、有机分子束外延技术。
1.1 STM技术扫描隧道显微术(STM)能够以纳米级甚至是原子级空间分辨率在真空、大气或液体中来观测物质表面原子或分子的几何分布和态密度分布。
通过控制针尖和样品表面之间的距离,控制加于样品的偏压,不仅能够对纳米结构进行表征,研究其排列方式及电子学性能,而且能够通过对原子、分子的操纵实现纳米结构的构筑和对纳米电子学元件的研究。
此外扫描隧道谱(STS)系统被广泛用于分子器件的I/V特性的测量。
因此STM已经成为分子电子学研究中测量和加工的一个重要手段。
1.2 LB膜技术用LB技术制备的薄膜为数A至几十纳米厚的单层或多层连续晶态薄膜,而且随着材料不同展现出不同的绝缘性、导电性、光学磁学特性等,可应用的领域十分广泛,也成为分子电子学的一个重要研究手段。
LB技术的基本方法是将具有脂肪链疏水基团的双亲分子(一端亲水,一端亲油或疏水)溶于挥发性溶剂中,通过控制表面压,溶质分子便在气/液界面形成二维排列有序的单分子膜,即Langmuir膜(L膜)。
将单分子膜转移到固体基板上,可组建成单分子或多分子膜,即Langmuir-Blodgett膜。
LB 技术有垂直法、水平接触法及水平和垂直相结合的挂膜方法。
控制固体基片的表面性质以及在水-空气界面进出的程序及次数,可以得到单层或多层膜[3]。
LB技术同时存在以下缺点:1)稳定性差:由于是物理键合模式(范德瓦耳斯力),随着时间的推移,膜的结构会变得疏松,直至溃散;2)界面接触:在金属衬底上吸附的杂质无法移除,只能夹在膜与衬底之间;3)因为膜是逐层挂的,层间的分子不易对准。
以上缺陷都将影响以LB膜为基础的器件的性质。
1.3 自组装技术(SA)分子自组装薄膜(SAM)是分子通过化学键相互作用自发吸附在固/液或气/固界面而形成的热力学稳定和能量最低的有序膜。
当吸附分子存在的情况下,局部已形成的无序单层可以自我再生成更完善的、有序的自组装膜,其主要特征如下:(1)原位自发形成;(2)化学键和热力学稳定;(3)无论基底形状如何,其表面均可形成均匀一致的覆盖层;(4)高密度堆积和低缺陷浓度;(5)层间分子有序排列;(6)可人为设计分子结构和表面结构来获得预期的界面物理和化学性质;(7)有机合成和制膜有很大的灵活性。
根据自组装薄膜分子层数的差异,我们可以把自组装膜简单地分为自组装单层膜和自组装多层膜。
同样SA技术也存在着一些问题,例如覆盖的不确定性、发生多余化学反应等。
1.4 有机分子束外延技术有机分子束外延技术(OMB E)超簿有机分子薄膜真空生长技术也称为有机分子束沉积(OMBD)技术,或有机分子外延(OMB E)技术,是在超真空条件下生长有机或者半导体材料的技术。
它的优点在于无需对材料进行修饰,外延层的厚度可控,基片及环境的清洁度可达到原子级,在沉积超簿膜的过程中能够原位实时地监控膜的结构生长情况。
分子器件制作技术的发展趋势是以上各种方法的综合利用,例如:以LB技术、自组装技术和有机分子束外延技术进行初步制作,用STM技术进行再加工;将LB技术与聚合技术结合可以在一定程度上解决LB技术的缺陷。
2 分子器件简单他说,分子器件是在分子水平上具有特定功能的超微型器件。
对分子器件研究的最终目的是要组成分子电路,进而构成分子计算机。
而分子计算机中的分子,一般需要分别具备三种功能:(1)分子开关,(2)存储器,(3)整流器。
其中前两种需要利用分子的电双稳态特性,而后一种要求分子有一定的正反向整流比。
按照上面的叙述,分子器件可分为分子导线、分子整流器、分子开关和分子存储器等。
2.1 分子导线[4]首先简单介绍一下分子轨道:以聚乙炔(CH)X 链为例。
每个碳原子有4个价电子,3个价电子构成SP2杂化轨道,即σ键,由于是两个原子(碳和氢)共有,因此是定域的,不导电。
而余下的1个价电子为π电子,它是2P Z电子取向垂直于分子平面,相邻碳原子中的π电子云相互交叠,组成的分子轨道为所有碳原子所共有,于是π电子可以在相邻碳原子间跃迁,因而π电子可以导电(如图1)。
分子导线一般分为两类:一类是在高分子链方向形成共轭双键结构,导电方向是链方向,如:聚乙图1 (CH )价电子轨道炔、聚噻吩、聚吡咯等;另一类是在某种平面分子晶体中,分子面互相堆砌成柱状结构,沿分子柱方向,π电子重叠积分很大,此种物质又称电荷转移复合体,其导电方向是分子柱的堆砌方向,如:TTF -TC 2NQ 、酞菁类等。
2.2 分子整流器普通固态整流器是采用p -n 结来实现整流的,因此一个有机分子要显示整流性能,大体上也应该具有p -n 结的性质。
Aviram 和Ratner 提出的有机分子D 2σ2A 是一种单分子取向膜,其中D是分子给体,σ是饱和的共价桥;A 是分子受体,当它耦合在两个金属电极M1和M2之间时,可能形成一种单分子整流器。
它们的能级结构如图2所示。
图中Φ1,Φ2分别为两个金属电极M1和M2的功函数;E F1,E F2分别为两个金属电极的费米能级;I D 为给体分子的电离能;A A 为受体分子的亲合能;HOMO (D )和HOMO (A )分别为给体和受体的最高占有分子轨道(HOMO );L UMO (D )和L UMO (A )分别为给体和受体的最低未被占有分子轨道(L U 2MO )。
图2 分子整流器当电极两端加入偏压后,经过简单推导,电压大部分落在金属与分子以及给体与受体之间的势垒上(这些势垒是由σ和接触形成的),而给体与受体的分子能级上承受的电压很小。
在适当的正向偏压下(即M1端加正压,M2端加负压),E F1和HOMO (D )的能级相一致,E F2和L UMO (A )的能级相一致。
电子从阴极M2到受体L UMO (A ),从给体HOMO (D )到阳极M1隧道,分子整流器处于D +2σ2A -状态。
若发生非弹性隧穿或无辐射跃迁,电子从L U 2MO (A )到HOMO (D ),使分子回到初态D 2σ2A 。
反之,在适当的反向偏压下,首先受体L UMO (A )与给体HOMO (D )相一致,电子从给体到受体。
随后在两个分子金属接触面发生电子隧穿,从而实现电子传输。
由于正反偏压下的电子传输方式不同,因而可以出现整流特性。
2.3 分子开关和分子存储器对于某种特定材料的薄膜,两边加电压,当场强达到一定值时,器件可能由绝缘态(0)转为导电态(1)。
通过某种刺激(如反向电场、电流脉冲、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。
当外加电场消失时,0或1状态能够稳定存在,即具有记忆特性,成为存储器件。
分子开关是指一种具有双稳态的分子,通过施加一定的影响,如光照、氧化还原、酸碱性的改变等,分子可以在两种状态之间进行可逆转换,这两种状态由于电阻的高低不同而对应于电路的通断。
2000年,Dan Feldheim 在NA TU RE 上列举了由Schiffrin 小组研究的一种可逆分子开关(如图3)[5]。
当Bipy 分子处于2价氧化状态时,没有电流,开关处于关状态;当STM 针尖施加一适当的电压时Bipy 分子还原为一价状态,此时有较大电流通过三明治结构,开关处于开状态。
此种分子开关类似施密特触发器,电流为遂穿电流。
可以通过选择具有可逆氧化还原反应的分子改变开关的阈值。
但此种开关响应慢,增益小,目前还无法集成到电路中成为有效元件。
但作为一种典型的氧化还原类型的分子开关,可以用于对增益要求不高的领域,如传感器。