论文摘要
单分子电子学是将单个分子连接在两个电极两端,一方面可以通过探测到的电信号来反馈得到分子结构的信息,以及分子在不同结构之间相互转换的信息;另一方面可以利用分子在不同结构之间的转化以达到单分子开关等功能化器件的目的。近年来,随着传统场效应晶体管尺寸越来越小,量子效应越来越显著,寻求新的器件结构和材料已经成为大家专注的焦点。单分子器件不仅在尺寸上更小,而且选择多样,有望实现多功能的单分子场效应晶体管。本论文首先在单分子器件的平台上研究了偶氮苯异构化的动力学过程,而且在此基础上研究了位于侧链的偶氮苯异构化前后对主链上苯环转动的影响,深入探讨了侧链对主链上苯环转动势垒的调控能力。除此之外,我们在原有器件的基础上,引入了固态栅作为第三端的电极,实现了单分子场效应晶体管。偶氮苯作为典型的光致变色分子,在紫外和可见光的照射下可以实现顺式与反式之间的相互转换。近年来随着单分子器件的发展,科学家们发现,除了光照可以诱发分子异构化之外,非弹性散射电子和电场也能导致偶氮苯分子异构化。我们在石墨烯基单分子器件的平台上,连接偶氮苯分子,测试I-V曲线,发现在负向偏压下会发生反式与顺式之间的异构化。结合理论计算知道,反式与顺式结构下偶氮苯分子沿主链方向的偶极矩不同,因此电场对分子能量的调控能力有差异。发生异构化是由于在某一个电场作用下,顺式结构与反式结构的能量差逐渐减小,继续增加电场强度,顺式结构能量低于反式结构能量,成为最稳定的结构。而在另一个电场方向下,反式结构的能量始终高于顺式结构的能量,不会发生反式到顺式的异构化。在联苯分子中,侧链基团的性质直接影响主链上苯环之间的扭转角度。而在我们研究的三联苯体系中,偶氮苯分子在两个结构之间的转化理论上会直接影响主链上苯环的转动。结合理论计算得到的结构中,远离偶氮苯基团的苯环相对于中间苯环扭转的角度几乎不受偶氮苯结构的影响,但是靠近偶氮苯基团的苯环在反式结构下苯环扭转的角度要大于顺式结构下苯环扭转的角度。这说明反式结构下,偶氮苯基团的空间位阻效应更大。通过分析苯环转动的动力学过程,更加证明了上述的结果。远离偶氮苯的苯环转动的势垒不受偶氮苯结构的影响,而靠近偶氮苯的苯环在反式结构下转动的势垒高于顺式结构。实验上,我们通过升温测试不同温度下苯环转动的速率,证实了计算的结果。除了研究分子的动力学过程,我们还在单分子的基础上引入栅极,研究单分子电导随栅压的变化,旨在实现单分子场效应晶体管。制备具有纳米厚度,致密且表面平整的介电层是该实验的难点。通过尝试不同的材料以及制备方法,最后我们得到了厚度在10 nm左右的介电层,介电层承受的栅压能达到10 V。通过测试固态栅与离子液体栅对石墨烯电导的调控,我们发现制备的固态栅的栅压的调控能力与离子液体栅相当。连接上分子后,我们实现了栅压对分子电导的调控,开关比最大能达到104,首次实现了石墨烯基固态栅场效应晶体管。本论文在单分子尺寸研究了偶氮苯和苯环的运动过程,揭示了电场诱导偶氮苯异构化的机制以及苯环运动的内在规律,为之后分子的设计提供了新的方向。同时我们还实现了单分子场效应晶体管,在实现尺寸更小,功能更多的新型场效应晶体管的道路上提供了新的思路。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 孟利楠
导师: 孟胜
关键词: 单分子器件,异构化,分子动力学,单分子场效应晶体管
来源: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 物理学
单位: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
分类号: O561
DOI: 10.27604/d.cnki.gwlys.2019.000018
总页数: 109
文件大小: 5753k
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标签：单分子器件论文; 异构化论文; 分子动力学论文; 单分子场效应晶体管论文;