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engineering.org.cn 网站升级，欢迎关注 分子在金属电极之间相互结合，电荷从一端转移到另一端。电子在不同方向上传输产生电流，既没有产生也没有破坏化学键。 分子联结可以阐述电子通过电极之间所包含的电子簇进行传输。  ☝ 基于联结断裂技术拉伸形成的单分子联结示意图 如图，联结断裂技术可以产生单独的分子联结。当金属两极受拉，能量较弱点破裂，分子附着于两端，形成分子联结。左右两端之间存在能带结构，但能带结构对于两端之间的中心分子簇而言是非连续的。  1. 分子集成电路元件 Molecular Transistors
分子晶体管 晶体管能够通过控制实际电压来调整电流，包含三个端口；其中两个作为源头端和流出端，第三个作为栅极使用。电子从源头端流入，流向流出端，其过程可以通过栅极进行调控。 一种名为轮烷的特殊分子能够起到分子开关的作用，它根据所施电压改变内部结构与电导系数。当施加电压时，轮烷分子的稳定状态发生改变，类似开关ON/OFF。 另一种获得晶体管作用的方法是利用构象自由度。为了阻止电子从分子流向金属电极，分子可以偏离接触，或通过扭转破坏共轭键。 利用实验验证分子器件是一个极其困难的过程；大多数实验验证都是利用隧道扫描显微镜（STM）获得电导率等相关信息。改变金属原子原有的分子结构及晶格位置可以增强电子传输。 单电子晶体管（SETs）具有功耗低、操作模式快等优点。增加或者减少单个电子可以将导电状态转变为非导电状态。利用Coulomb阻滞效应可以通过每次仅影响一个电子的方式来控制单电子。 Kondo效应是另一个重要的现象。当存在磁性杂质时，导电电子将会在金属中散射，将会引起电阻率随温度变化。当非磁金属中一个磁性原子和许多电子之间发生相互作用时，这种现象就会发生。Kondo阻滞效应已经证明能够阻碍电导，通过施加反向栅极电压操纵隧道电流。 Molecular Diodes
分子二极管 分子二极管有两种基本类型：整流二极管与谐振隧穿二极管(RTDs)。分子二极管能提供电子基团和接受电子基团。当提供电子基团时，电子密度很高；而接受电子基团时，电子密度很低。 对于整流效应来说，结构需要高度对称，以便显示正向和反向偏压之间的物理变化。整流二极管包括供体π系统和受体π系统，通过σ键隧道桥连接在一起。利用这个设计， LUMO和HOMO对齐，使其仅在一个方向上导电，类似于二极管的作用。引入σ电子系为供体和受体基团之间提供了绝缘屏障。 在谐振隧穿二极管中，电子能够以不同的能级来隧穿谐振状态。这些二极管可以用作振荡器和开关。对于二极管平滑联续的工作状态，谐振隧穿二极管已被证明是高功能集成电路的合格备选。 Molecular Capacitors
分子电容器 电容连接电源时会储存电荷。储存于电容器中的电荷具有1或0两个状态。因此，可以利用分子电容器的概念来开发分子储存器。 为了储存电荷，每个储存单元包含了大约1×106个分子的单分子层。电荷可以存储在表现出氧化还原反应的分子中。电化学双层电容器（EDLC）在电极/电解质处存储电荷。因电容储存电荷的能力直接取决于储存电荷的面积，故应使用较高的横切截面区域和较小的分离。 电容存储电荷的能力同样和孔结构有关。Coulomb阻滞效应和Kondo效应进一步探究如何俘获电子，并最终利用它们作为分子电容器。 Molecular Insulators
分子绝缘体 绝缘体在需要控制或限制电流流过电子器件或集成电路的情况下非常重要。当涉及分子绝缘体时，可以使用带有特定官能团的分子。脂肪类有机分子则是分子绝缘体中最好的例子，其中只有σ键可以利用，在施加电压存在时将会导致电流终断。在电极之间插入这些分子，可以轻易地破坏其导电路径。 关于能带理论，由于电子-电子之间的相互作用，某些固定材料被当作绝缘体使用；这些材料被称为Mott绝缘体。直链烃类是优良的分子绝缘体。为了获得非线性电流-电压特性，研究人员开发了掺杂绝缘体的分子半导体（MSDI）异质构。 在电子器件制造中不可避免地会出现绝缘体，有必要发现和识别更多自装配可控分子绝缘体。 Molecular Wires
分子导线 分子导线在分子电子学中极其重要，可分为两类：饱和链和共轭链。 饱和分子中，原子与单键直接相连。烷烃是最简单的饱和烃类。然而，由于它们最高分子占据能量轨道和最低分子未占据能量轨道之差大，被认为是导电性能欠佳的导体。 在共轭分子中，原子通过交替的单双键连结在一起。这些分子具有比烷烃小的最高分子占据能量轨道和最低分子未占据能量轨道之差，并且对电子远距离传输非常有效。 电子元件尺寸缩小之前，碳和铝主要用于电子元件之间连接。紧接着出现了量子导线的概念，即其为由量子效应控制着传输机制的导电线。碳纳米管是量子导线广泛应用的材料，并且单壁碳纳米管的特性使其成为分子导线制备的完美备选材料。 分子导线可以使信号在两个端子之间传递，目的是将激发的能量或电荷从一个单元转移到另一个单元。 2. 适用于分子器件的分子 推动分子电子学进一步发展的关键因素就是找到适合可用的分子。大量分子已被研究并确定适用于制备分子器件，其中，烃类已经广泛使用。 苯具有很大潜力，适用于模拟芳香族π体系的相互作用。这种系统能够将π电子结合在一起形成离域电子云，形成圆环，导致共振混合，从而使电流传输更加容易。分子器件中使用最为广泛的分子是低聚亚苯基乙炔（OPE）、低聚苯乙烯（OPV）和低聚噻吩（OT）。 另一个适于制备分子基器件的重要分子就是脱氧核糖核酸（DNA）。经过对DNA进行了大量研究，DNA在分子电子学中的潜在应用价值已十分明显。 3. 石墨烯：分子电子学的新型衬底 石墨烯是由SP2杂化而成的二维蜂窝晶格，其六边形晶格包含两个等价的碳原子亚晶格。碳原子间的距离为1.42Å，平面结构中原子间均存在强键。 石墨烯是一种零重叠的半金属，其孔和电子都是电荷载体。石墨烯最重要的性质就是高导电性和其固有强度。石墨烯层与层之间具有严格的界限，从而产生了很强的化学键，电子可以超过2×106cm2V-1s-1的移动速率在石墨烯层间移动。石墨烯被认为是分子联结电极的理想备选材料。 4. 分子电子学的研究趋势 分子电子学中亟待解决的两个主要问题就是实验验证和可控制造。为了填补相关分子的固态分子器件的综合设计和工业实现的差距，对于分子器件合理建模必须实现鲁棒性、有效性。分子电子学另一个新兴研究趋势是在微观层面上制冷和在热流领域的应用。  因为硅技术无法进一步缩小到分子水平，应当发展分子电子学理论，为未来实现分子电子元器件奠定基础。 虽然建立分子器件模型是一项具有挑战性的任务，但是这些成果将推动分子电子学的研究进展。加大原子及近原子尺度制造（ACSM），即“制造III”的基础研究与关键技术开发，必将带来下一代核心元器件的重大突破。 改编来源： |
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