分子材料与分子器件

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1、分子材料与分子器件分子材料与分子器件1.有机半导体、导体和超导体据CA：目前化合物>一千一百万种，其中绝大部分是有机化合物，并且每年仍以数十万种的速度在增加。有机化合物中，绝大多数是绝缘体和半导体，具有金属电导和超导特性的有机化合物只占几万分之一。1973，约翰.霍金普斯大学的D.O.Cowan和J.P.Ferraris宾夕法尼亚大学的A.J.Heeger和A.F.Carito两个研究小组几乎同时发现：具有类似金属电导的TTF-TCNQ（四富瓦烯-四氰基对醌二甲烷，）有机晶体具有超导性。从此人们对有机化合物的认识有了很大的飞跃。NCCNSSCCNCC

2、NSSTCNQTTF近二十年来，新的有机导体、超导体在不断出现，人们对相关的物理现象和结构特征也有了更深入的研究，并对一系列基本的理论问题有了较为一致的认识。目前，有机导体、超导体已成为国际上十分活跃的新兴研究领域，且越来越引起各国政府决策部门和有关科学家的高度重视。（1）有机电荷转移复合物（C.T.C.）电荷由电子给体转移到受体后，电子给体带正电荷，电子受体带负电荷，它们通过静电引力结合成的混合物。绝大部分有机电荷转移复合物是绝缘体或半导体，要具备类似金属导电的特性还需要在结构上和能量上满足一些基本要求。有机半导体一般是电导率处于10-8~102s

3、/m范围内的有机固体。有时也扩展到具有共轭体系的分子晶体和高聚物材料。（2）有机超导体1980，哥本哈根大学的Bechgard合成了(TMTSF).PF26几个月后与巴黎大学的研究者一起发现了它的超导性。由于有机超导体表现出许多一般超导体或非超导体所没有的特征，因此它已引起科学家的极大兴趣。根据目前一系列的物理实验和大部分科学家的观点，至今所发现的有机超导体的机理仍属于BCS理论中的声子-电子相互作用机理，但有些问题尚待深入研究。2.C及富勒烯60C60C分子本身是绝缘体，但当碱金属嵌入C分子6060之间的空隙后，由于碱金属与C分子之间的60相互作用

4、，会使碱金属的最外层电子形成一个导电带，从而使其导电性能发生有趣的变化。随着碱金属掺入量的增加，C与碱金属的系列60化合物从绝缘体变成半导体，再变成超导体，最后又重新变会绝缘体。例如：纯的C是绝缘体，KC是超导体，60360而KC是绝缘体。660巴基管是石墨层片卷成的圆筒体结构，它具有奇特的电子特性，有可能成为新型纳米级别的分子导线、分子吸管和增强复合材料。3.分子器件由于加工极限和半导体内部某些特有物理效应的限制，以无机半导体晶体材料为基础的大规模集成电路必定会有尺寸的限制。以硅材料为基础的集成电路：1985年达到加工极限（0.5mm）2000年达

5、到物理极限（0.2mm）如果想进一步提高集成度必须另辟新路。科学家提出：在有机分子的分子尺寸范围实现对电子运动的控制，从而使分子聚集体构成有特殊功能的器件。有机电子材料和分子器件的研究往往还与生物体系中的神经传递、脑的记忆及信息处理等有关。目前生物传感器的主要趋势：*微型化、多功能化，*发展成生物芯片，把具有信息传递、记忆、分子识别、能量传递和放大功能的生物分子组成类似于集成电路的芯片，这将促进未来的生物电脑的出现。有人预言：“未来电子学将是分子电子学”。开发分子器件的目标：利用有机或无机导电聚合物电荷转移复合物有机金属其他分子材料研制信息和微电子学

6、的新型元件新型元件。分子器件的主要研究内容：分子导线、分子开关、分子整流器、分子储存器、分子计算机等分子器件也定义为：具有一定组织和特定功能的化学体系所形成的超分子结构单元分子器件的一般要求：具有给定的功能并适合组装成更大系统的有序分子元件元件：是光、电、磁、热、离子、机械或化学活性的最重要的要求最重要的要求：这些分子器件在分子水平或超分子水平而不是在主体材料水平上发挥功能。（1）分子导线人们曾推测生物体系中的类胡萝卜素或聚异戊二烯链可能与电子导电有关β-胡萝卜素结构特征：①具有共轭长链，允许电子传导；②含有两个极性的、能进行可逆电子交换的或活化基团

7、终端；③链有足够长度，与双层膜的厚度相匹配。美国科学家L.L.Miller等：以多苯并醌为原料，经狄尔斯-阿尔德反应和芳构化反应，分别合成了长度为3.06、5.28和7.50nm的线型分子导线。关于分子导线的理论还有待于进一步发展，传统的固体电子学理论并不能完全适用于有机分子导线中载流子的性质和输送。+RNXX一+N些R+RN长XX链+NR共+RN轭XX烯+N+R烃RN分X子X+NR（2）分子整流器A.Aviram1974年提出普通整流器主要起源于金属和半导体之间的表面接触以及带电双层表面（绝缘层）的产生。分子整流器也起源于双分子膜和模型器件的组装。

8、一般固态整流器：基于p-n结在分子水平上产生整流：有机分子也应包括p-n结芳香族分子能够较好地满足n和p型结