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1. 有机半导体、导体和超导体 据据CA：目前化合物 一千一百万种，：目前化合物 一千一百万种， 其中绝大部分是有机化合物，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。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，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。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，约翰.霍金普斯大学的霍金普斯大学的 D.O.Cowan和和J.P.Ferr

2、aris 宾夕法尼亚大学的宾夕法尼亚大学的A.J.Heeger 和和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。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。SSSSTTFNC C NCCCNCNTCNQ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。近二十年来，新的

3、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。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（）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。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

4、结合 成的混合物。绝大部分有机电荷转移复合物是绝大部分有机电荷转移复合物是绝缘体绝缘体或或半导体半导体， 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。， 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。有机半导体有机半导体一般是电导率处于一般是电导率处于10-8102s / 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。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）有机超导体1980，哥本哈根大学的，哥本哈根大学的Bechgard合成了合成了 (TMTSF)2.PF6 几个月后与巴黎大学

5、的研究者一起发现了它 的超导性。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。电子相互作用机理，但有些问题尚待深 入研究。2. C2. C6060及富勒烯及富勒烯

6、C60分子本身是绝缘体，但当碱金属嵌入分子本身是绝缘体，但当碱金属嵌入C60分子 之间的空隙后，由于碱金属与分子 之间的空隙后，由于碱金属与C60分子之间的 相互作用，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。分子之间的 相互作用，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。C60随着碱金属掺入量的增加，随着碱金属掺入量的增加，C60与碱金属的系列 化合物从绝缘体变成与碱金属的系列 化合物从绝缘体变成半导体半导体， 再变成再变成超导体超导体， 最后又重新变会最后又重新变会绝缘体绝缘体。例如：纯的例如：纯的C60是绝缘体，是绝缘体，K3C

7、60是超导体，是超导体， 而而K6C60是绝缘体。是绝缘体。巴基管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。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。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：以硅材料为基础的集成

8、电路： 1985年达到加工极限（年达到加工极限（0.5mm） 2000年达到物理极限（年达到物理极限（0.2 mm） 如果想进一步提高集成度必须另辟新路。如果想进一步提高集成度必须另辟新路。 科学家提出：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。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 中的神经传递神经传递、脑的记忆脑的记忆及及信息处理信息处理等有关。等有关。目前生物传感器的主要趋势：目前生物传感

9、器的主要趋势： *微型化、多功能化，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。，这将促进未来的生物电脑的 出现。有人预言：有人预言：“未来电子学将是分子电子学未来电子学将是分子电子学”。开发分子器件的开发分子器件的目标目标： 利用有机或无机导电聚合物利用有机或无机导电聚合物 电荷转移复合物电荷转移复合物 有机金属有机金属 其他分子材料其他分子材料 研制信息和微电子学的研制信息

10、和微电子学的新型元件新型元件新型元件新型元件。分子器件的分子器件的主要研究内容主要研究内容： 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：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 的超分子结构单元超分子结构单元 分子器件的一般要求：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 元件元件：是光、电、磁、热、离子、机械或化 学活性的：是光、电、磁、热、离子、机械或化 学活性

11、的 最重要的要求最重要的要求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。：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） 分子导线结构特征：结构特征： 具有共轭长链，允许电子传导；具有共轭长链，允许电子传导； 含有两个极性的、能进行可逆电子交换的或活化基团终 端；含有两个极性的、能进行可逆电子交换的或活化基团终 端； 链有足够长度，与双层膜的厚度相匹配。链有足够长度，与双层膜的厚度相匹配。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人们曾推测生物体系中的类胡萝卜素或聚异戊二烯链

12、可能与电子导电有关 -胡萝卜素胡萝卜素美国科学家美国科学家L.L.Miller等：等： 以多苯并醌为原料，经狄尔斯以多苯并醌为原料，经狄尔斯-阿尔德反应和 芳构化反应，分别合成了长度为阿尔德反应和 芳构化反应，分别合成了长度为3.06、5.28 和和7.50nm的线型分子导线。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。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。RN+RN+XXRN+RN+XXRN+RN+XXRN+RN+XX一 些 长 链 共

13、 轭 烯 烃 分 子一 些 长 链 共 轭 烯 烃 分 子（2） 分子整流器） 分子整流器A.Aviram1974年提出年提出 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。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。分子整流器也起源于双分子膜和模型器件的 组装。一般固态整流器：基于一般固态整流器：基于p-n结结 在分子水平上产生整流：在分子水平上产生整流： 有机分子也应包括有机分子也应包括p-n结结 芳香族分子能够较好地满足芳香族分子能够较好地满足n和和p型结构要求型

14、结构要求OOOCH3OCH3 OCH3NCCCCNNCCNSSSS可用作分子整流器的两个分子可用作分子整流器的两个分子（3） 分子开关） 分子开关 分子的开关功能：分子的开关功能： 运用外界因素控制分子的配位和选择性运用外界因素控制分子的配位和选择性 主要通过主要通过双稳态双稳态或或多稳态多稳态来实现来实现主体分子的开关原理主体分子的开关原理+客体客体客体客体EE大致包括： 分子内和分子间的氢转移；二聚化反应； 顺大致包括： 分子内和分子间的氢转移；二聚化反应； 顺-反式异构；电荷转移；苯反式异构；电荷转移；苯-醌型转变醌型转变氢键控制氢键控制： 通过通过pH的不同来调节氢键的的不同来调节氢键

15、的“开关开关”实例实例环糊精衍生物的开关作用环糊精衍生物的开关作用pH11pH7ONNOHHH N N NN NHHN NNNNO-NN+O-氧化还原控制氧化还原控制： 利用氧化还原反应控制硫酚和二硫化物双稳态 体系的相互转换利用氧化还原反应控制硫酚和二硫化物双稳态 体系的相互转换实例实例OCH2OCNOO N OOOCH2COSHSHSO CH2OCNOO N OOO CH2COSOxRed光化学控制光化学控制： 利用光化学反应实现顺： 利用光化学反应实现顺-反异构体的可逆转化反异构体的可逆转化实例实例NNOOOOOOOnNNOOOOOOOnTThhE型或反式E型或反式Z型或顺式Z型或顺式O

16、OOOONNOOOOOOOOOONK+OOOOONK+双冠醚在离子迁移膜中的化学控制双冠醚在离子迁移膜中的化学控制供体 水相受体 水相有机相供体 水相受体 水相有机相hh1 1hh2 2（4） 生物传感器） 生物传感器在生命活动中进行信息检测和信息传输的器件在生命活动中进行信息检测和信息传输的器件 第一代生物传感器第一代生物传感器： 通常是由一种酶、抗体或抗原组成通常是由一种酶、抗体或抗原组成 基本结构：将酶、抗体或抗原组成的生物层粘附在一块芯 片上。平时它们处于基本结构：将酶、抗体或抗原组成的生物层粘附在一块芯 片上。平时它们处于“冻结冻结”状态，直到它们与某种被测 物质发生反应，才发挥检测的功能。状态，直到它们与某种被测 物质发生反应，才发挥检测的功能。第二代生物传感器第二代生物传感器：一般是微型化的生物传感器 通常是由通过生物技术研制的生物分子所组成：一般是微型化的生物传感器 通常是由通过生物技术研制的生物分子所组成 这种生物分子能够直接测量一种