1、分子电子器件分子电子器件 氧化还原活性配合物氧化还原活性配合物 分子电子学研究的是分子水平上的电分子电子学研究的是分子水平上的电子学，其目标是用单个分子、超分子或分子学，其目标是用单个分子、超分子或分子簇代替硅基半导体晶体管等固体电子学子簇代替硅基半导体晶体管等固体电子学元件组装逻辑电路，乃至组装完整的分子元件组装逻辑电路，乃至组装完整的分子计算机。计算机。它的研究内容包括各种分子电子它的研究内容包括各种分子电子器件的合成、性能测试以及如何将它们组器件的合成、性能测试以及如何将它们组装在一起以实现一定的逻辑功能。同传统装在一起以实现一定的逻辑功能。同传统的固体电子学相比，分子电子学有着强大的固
2、体电子学相比，分子电子学有着强大的优势。的优势。分子电子学概念分子电子学概念 分子电子学器件：由具有电、磁、光分子电子学器件：由具有电、磁、光、热、离子、机械和化学反应性能的分子、热、离子、机械和化学反应性能的分子和超分子组装排列而成的有序结构，是在和超分子组装排列而成的有序结构，是在分子或超分子层次上完成信息和能量的检分子或超分子层次上完成信息和能量的检测、转换、传输、存储与处理等功能的化测、转换、传输、存储与处理等功能的化学及物理系统。简单地说，分子器件就是学及物理系统。简单地说，分子器件就是在分子水平上具有特定功能的超微型器件在分子水平上具有特定功能的超微型器件 分子分子电子电子器件的研
3、究目标器件的研究目标:采用有采用有机和无机导电聚合物、生物聚合物、电荷机和无机导电聚合物、生物聚合物、电荷转移盐、有机金属和其他分子材料，开创转移盐、有机金属和其他分子材料，开创出用于信息和微电子学的新型元件。出用于信息和微电子学的新型元件。分子电子器件 现如今分子电子器件的应用有很多如：现如今分子电子器件的应用有很多如：分子导线分子导线 分子开关分子开关 分子整流管分子整流管 分子储存器分子储存器 种类种类信息的载流子信息的载流子金属金属电子电子无机非无机非金属金属 电子、空穴电子、空穴分子分子电子、空穴、孤子、自由基电子、电子、空穴、孤子、自由基电子、极化子、双极化子极化子、双极化子分子导
4、线分子导线 分子导线举例分子导线举例共轭聚合物共轭聚合物反式聚乙炔反式聚乙炔顺式聚乙炔顺式聚乙炔 聚对苯聚对苯聚吡咯聚吡咯聚噻吩聚噻吩聚二乙炔聚二乙炔聚硫氮化物聚硫氮化物 (SN)nNNNSSS 纳米尺寸的刚性线性分子导线纳米尺寸的刚性线性分子导线 尺寸为尺寸为3.06nm3.06nm的分子导线的分子导线ArArOONOOC(Me)3ArArNOO(Me)3C尺寸为尺寸为5.28nm5.28nm的分子导线的分子导线ArArOONOOArArNOOC(Me)3ArArOONOOArArNOO(Me)3CArArOONOOArArNOO(Me)3CArArOONOOArArNOOC(Me)3ArA
5、rOONOOArArNOO尺寸为尺寸为7.5nm7.5nm的分子导线的分子导线 卟啉衍生物分子导线卟啉衍生物分子导线分子光子导线分子光子导线硼硼-二吡咯亚甲基染料在一端提供光输入，二吡咯亚甲基染料在一端提供光输入，三个锌卟啉的线性排列作为信号的输运单三个锌卟啉的线性排列作为信号的输运单元元,而原卟啉在另一端提供光输出而原卟啉在另一端提供光输出分子开关分子开关 分子开关分子开关是指是指用电双稳材料用电双稳材料制成的具有双稳制成的具有双稳态特性的量子化体系。当外界光、电、热、磁、态特性的量子化体系。当外界光、电、热、磁、酸碱度等条件变化时，分子的形状、化学键的生酸碱度等条件变化时，分子的形状、化学
6、键的生成或断裂、振动以及旋转等性质会随之变化，通成或断裂、振动以及旋转等性质会随之变化，通过这些变化，过这些变化，分子可以在两种状态之间可逆转换分子可以在两种状态之间可逆转换，两种状态由于电阻值高低不同而对应于电路的两种状态由于电阻值高低不同而对应于电路的通断，从而实现信息传输的功能。通断，从而实现信息传输的功能。电双稳材料电双稳材料 对对材料材料两端施加电压，当电场达到两端施加电压，当电场达到某一阈值某一阈值时，时，该材料可由高阻态转为低阻态该材料可由高阻态转为低阻态；若再通；若再通过某种能量激励，如反向电场或电流脉冲，过某种能量激励，如反向电场或电流脉冲，又可使材料从低阻态恢复到高阻态又可
7、使材料从低阻态恢复到高阻态。在没有。在没有外加刺激时，外加刺激时，两种状态均能稳定存在两种状态均能稳定存在。u光控磁开关光控磁开关u基于电子转移的光控开关基于电子转移的光控开关u基于光诱导分子构型变化的开关基于光诱导分子构型变化的开关n 分子开关分子开关u光控磁开关光控磁开关Fig.10.Photoswitch of magnetic interaction.（diarylethene)u基于电子转移的光控开关Fig.1.Light-driven dethreading of pseudorotaxanes by excitation of a photosensitizer P as(a)a
8、n external reactant(MeCN or H2O,roomtemperature),(b)a stopper in the wire-type component(EtOH,room temperature),and(c)a component of the macrocyclic ring(H2O,roomtemperature).u基于光诱导分子构型变化的开关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
9、 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 分子整流器分子整流器分子整流器的模型分子：分子整流器的模型分子：由受体由受体7 7，7 7，8 8，88四氰基对亚甲基四氰基对亚甲基苯醌苯醌(TCNQ)(TCNQ)和给体四硫富瓦烯和给体四硫富瓦烯(TTF)(TTF)组组成。成。3 3个亚甲基桥是为了保证分子的刚个亚甲基桥是为了保证分子
10、的刚性和绝缘性。性和绝缘性。NCCNNCCNSSSSN+C16H33HNCC-CNCNMgAgN+C16H33HNCC-CNCN 实例：实例：单分子单分子LBLB膜膜分子存储器 分子存储器分子存储器是指用来存储信息的是指用来存储信息的量子化量子化体体系系。分子水平上的存储是通过具有双稳态或分子水平上的存储是通过具有双稳态或多稳态特性的分子材料实现的多稳态特性的分子材料实现的。在电场的作。在电场的作用下，这种材料可从原来的绝缘态跃迁为导用下，这种材料可从原来的绝缘态跃迁为导电态，相当于计算机存储器中的电态，相当于计算机存储器中的“0 0”“”“1 1”两种状态；两种状态；用来用来“写入写入”信息
11、的工具就是信息的工具就是电场。电场。分子储存器的机制：分子内或分子间的氢转移，分子储存器的机制：分子内或分子间的氢转移，二聚化反应，顺二聚化反应，顺-反异构，电荷转移，苯反异构，电荷转移，苯-醌转变。醌转变。COHNHCONHH 实例：实例：500nm500nm弱光弱光 500nm500nm强光强光烯醇（烯醇（E E）型）型 顺式醌酮（顺式醌酮（QCQC）型型 “0”“1”0”“1”分子器件的优点：分子器件的优点：分子电子芯片的尺寸比目前的分子电子芯片的尺寸比目前的硅芯片小硅芯片小3 3个数量级；个数量级；一个同样体积的分子芯片具有一个同样体积的分子芯片具有比通常芯片高出几百万倍的计算能力；比通常芯片高出几百万倍的计算能力；计算机的设计概念也有较大的计算机的设计概念也有较大的变化，分子大小的电子线路的排列密变化，分子大小的电子线路的排列密度会导致真正的数据库计算机存储器度会导致真正的数据库计算机存储器的发展的发展。
