基于量子干涉效应调控机制的单分子富勒烯场效应晶体管

摘要

本发明涉及基于量子干涉效应调控机制的单分子富勒烯场效应晶体管，所述单分子富勒烯场效应晶体管是由第一导电介质－富勒烯分子－第二导电介质组成的单分子结，其中所述第一导电介质作为场效应晶体管的漏极，所述第二导电介质作为场效应晶体管的源极，通过栅极电压调控实现对单分子结的电导进行调控，从而控制漏极和源极之间的开启或关断。本申请验证了基于量子干涉效应调控机制的单富勒烯分子场效应晶体管器件的可行性，为碳基电子学在晶体管中的应用开拓了新的思路和方向。

说明书

技术领域

本发明涉及单分子富勒烯场效应晶体管领域，具体指有基于量子干涉效应调控机制的单分子富勒烯场效应晶体管。

背景技术

随着硅基半导体芯片工艺接近物理极限，其性能发展无法满足人类日益增长的信息处理需求；因此新材料、新原理器件等研究成为关键。单分子晶体管被认为是延续摩尔定律的重要方向之一。不同于硅基半导体场效应晶体管是基于调控载流子浓度实现器件电流开关行为，(亚)纳米尺度下，单分子场效应晶体管则是基于调控电子的隧穿机制实现器件开关行为。如何高效的调控分子器件中分子介导的电子隧穿行为是实现高开关比分子场效应晶体管的关键科学问题。

量子干涉效应作为微观世界中普遍存在的物理现象，在单分子器件电输运中同样存在，并且可以通过调控分子能级与电极费米能级的相对位置实现电子隧穿几率的调控(图1)。如图所示，当分子是具有相增量子干涉效应时，虽然调控分子能级与电极费米能级的相对位置也可以实现电子隧穿几率的调控，但是不够显著；而当分子是具有相消量子干涉时，反共振峰和共振峰之间电子隧穿几率相差几个数量级，远远高于相增量子干涉体系下的调控效率。因此利用具有相消量子干涉效应的分子体系是实现高开关比单分子场效应晶体管的重要思路。

富勒烯是一类具有明确化学组成和结构的新型球形碳基材料，它具有丰富的电学性质，在电子器件领域具有重要应用前景。然而，目前富勒烯分子单分子器件是否存在量子干涉效应还没有实验证据，更没有将其用于量子干涉效应调控机制的单分子场效应晶体管。

针对上述存在的问题设计基于量子干涉效应调控机制的单分子富勒烯场效应晶体管是本发明研究的目的。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明在于制备了单分子富勒烯场效应晶体管，并从原理和实验上均证明基于量子干涉效应调控机制的单分子富勒烯场效应晶体管的可行性。

本发明的技术方案是：

基于量子干涉效应调控机制的单分子富勒烯场效应晶体管，所述单分子富勒烯场效应晶体管是由第一导电介质－富勒烯分子－第二导电介质组成的单分子结，其中所述第一导电介质作为场效应晶体管的漏极，所述第二导电介质作为场效应晶体管的源极，通过栅极电压调控实现对单分子结的电导进行调控，从而控制漏极和源极之间的开启或关断。

进一步地，所述富勒烯分子溶解于电解质溶液中，所述电解质溶液接触有对电极和参比电极，所述参比电极作为场效应晶体管的栅极。

进一步地，所述单分子富勒烯场效应晶体管由以下步骤制得：

制备四电极体系，所述四电极体系包括源极、漏极、参比电极、对电极，所述源极和所述漏极为导电介质制成，所述源极为扫描隧道显微的探针，所述漏极为扫描隧道显微的基底；

在所述四电极体系中加入溶解有富勒烯分子的电解质溶液，使所述电解质溶液接触所述四电极体系的每一电极；

通过扫描隧道显微裂结技术，改变所述源极和所述漏极之间的距离，构建得到源极－富勒烯分子－漏极分子结。

进一步地，所述单分子结位于覆盖有绝缘介电层的栅极材料上方，形成三端场效应晶体管，所述三端场效应晶体管的栅极作为单分子富勒烯场效应晶体管的栅极。

进一步地，所述单分子富勒烯场效应晶体管由以下步骤制得：

通过微纳加工的方法，将连接短路的电极对沉积在覆盖介电层的栅极上；

在连接短路的电极对上滴加含有富勒烯分子的溶液，或将连接短路的电极对浸入含有富勒烯分子的溶液中；

通过电迁移技术将连接短路的电极对烧断形成电极间隙，使富勒烯分子落入电极间隙中形成单分子结。

进一步地，所述富勒烯分子为空笼富勒烯、内嵌富勒烯和外接富勒烯其中的一种。

进一步地，所述单分子富勒烯场效应晶体管作为场效应管的用途，通过栅极调控所述单分子富勒烯场效应晶体管的电导。

进一步地，基于量子干涉效应调控所述单分子富勒烯场效应晶体管的电导。

进一步地，通过栅极调控所述单分子富勒烯场效应晶体管的电导包括：

在栅极施加连续变化的电极电位，获取所述单分子富勒烯场效应晶体管的电导变化，得到所述单分子富勒烯场效应晶体管连续变化的电极电位下的最低电导和最高电导，以及最低电导对应的第一电压和最高电导对应的第二电压；

当对所述单分子富勒烯场效应晶体管的栅极施加所述第一电压时，对所述单分子富勒烯场效应晶体管的源极和漏极之间断开；

当对所述单分子富勒烯场效应晶体管的栅极施加所述第二电压时，对所述单分子富勒烯场效应晶体管的源极和漏极之间导通。

因此，本发明提供以下的效果和/或优点：

本申请构建了一类基于量子干涉效应的单分子富勒烯场效应晶体管。本发明是以一系列富勒烯及其衍生物为载体制备成单分子场效应晶体管，并成功的实现了栅极电压对富勒烯分子电导的调控，电导调控现象和理论分析表明其调控机制是基于量子干涉效应。这是首次在立体共轭分子领域发现量子干涉效应的存在，为后续碳基材料在量子器件的发展奠定了基础。

本申请以电化学调控Au/D

本申请通过对大量不同种类富勒烯分子的场效应晶体管进行实验测试和理论预测，发现量子干涉现象在单富勒烯分子器件中是普遍存在的，并且验证了基于量子干涉效应调控机制的单富勒烯分子场效应晶体管器件的可行性，为碳基电子学在晶体管中的应用开拓了新的思路和方向。

应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。

附图说明

图1为通过理论计算得到的本发明的其中一个实施例单D

图2为本发明中对其中一个实施例构建的四电极体系的单分子富勒烯场效应晶体管的示意图。

图3为本发明中对另一个实施例构建的三电极体系的单分子富勒烯场效应晶体管的示意图。

图4为本发明任一实施例D

图5为本发明任一实施例D

图6为本发明任一实施例D

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构作进一步详细描述：

实施例一

参考图2，基于量子干涉效应调控机制的单分子富勒烯场效应晶体管，所述单分子富勒烯场效应晶体管是由第一导电介质1－富勒烯分子2－第二导电介质3组成的单分子结，其中所述第一导电介质1作为场效应晶体管的漏极，所述第二导电介质3作为场效应晶体管的源极；

本实施例中第一导电介质和第二导电介质均采用金。

通过栅极电压调控实现对单分子结的电导进行调控，从而控制漏极和源极之间的开启或关断。

所述单分子富勒烯场效应晶体管和Si基场效应晶体管结构类似，包括源极，漏极和栅极，其中单个富勒烯分子作为沟道材料连接源极和漏极，形成第一导电介质－富勒烯分子－第二导电介质组成的单分子结，栅极包括底栅结构和电化学电解质栅极结构，其目的都是对富勒烯单分子结的电导进行调控形成器件的开启和关断。

所述富勒烯分子2溶解于电解质溶液6中，所述电解质溶液6接触有对电极4和参比电极5，所述参比电极5作为场效应晶体管的栅极。

本实施例的所述电解质溶液6可以通过浸没、覆盖的方式与对电极4和参比电极5进行接触，通过从而实现对所述参比电极5施加不同电压后，通过对参比电极5施加不同大小的栅极电压可以通过电解质溶液实现富勒烯分子的电导调控，从而观察其电子传输特性。

优选地，本实施例的所述参比电极为氯化银，所述对电极为铂。

其中，可以采用直径为0.25mm的金丝进行刻蚀后作为第一导电介质，再在金丝外表面包封一层黑蜡作为绝缘层，从而减少暴露面积以防止电解质介质中电流的干扰。采用一个金片，进行丙酮、乙醇、蒸馏水中三次处理清洁处理，最后用氮气吹干作为第二导电介质。

再将Pt丝电极和AgCl电极作为对电极和参比电极，金片和刻蚀后的金丝作为工作电极。以及，本实施例中还采用一个液池用于盛放电解质溶液。通过将参比电极、对电极引入到液池的内部，使参比电极、对电极的末端浸没在液池中，从而能够通过参考电极对液池中的电解质溶液施加不同的栅极电压。

本实施例所示的所述单分子富勒烯场效应晶体管由以下步骤制得：

S1，制备四电极体系，所述四电极体系包括源极、漏极、参比电极、对电极，所述源极和所述漏极为导电介质制成，所述源极为扫描隧道显微的探针，所述漏极为扫描隧道显微的基底；

本步骤中，四电极体系为现有技术，其两端的电极为导电电极；中间的两极为测试电极。场效应管包括源极、漏极、参比电极和对电极，为了实现场效应晶体管的结构，本步骤将四电极体系中的两个导电电极作为场效应管的源极和漏极，然后将四电极体系中的两个测试电极作为参比电机和对电极，其中参比电极又作为场效应管中的栅极。场效应管的作用原理是，通过对栅极施加或撤销电压作用在分子结上，使单分子电导发生调制，由于分子具有的特殊电学传输特性从而能够实现晶体管实现导通或断开。并且四电极体系中的其中一个导电电极连接或采用扫描隧道显微的探针、四电极体系中的另一个导电电极连接或采用扫描隧道显微的基底。通过四电极体系构建了场效应管的所有组成部分。

S2，在所述四电极体系中加入溶解有富勒烯分子的电解质溶液，使所述电解质溶液接触所述四电极体系的每一电极；

由于四电极体系中间的两水为测试电极，因此本申请采用溶解有富勒烯分子的电解质溶液作为四电极体系中的液体，使所述电解质溶液掩模或覆盖或浸泡所述四电极体系的每一电极，从而将四个电极电连接。

S3，通过扫描隧道显微裂结技术，改变所述源极和所述漏极之间的距离，构建得到源极－富勒烯分子－漏极分子结。

步骤S1中的四电极体系构建了场效应管的所有组成部分，接下来在本步骤中组装场效应管的各部分，使其具有一定的连接关系或者位置关系。具体地，通过扫描隧道显微裂结技术驱动其针尖重复多次以下操作：接触基底、远离基底，并且在操作的过程中，首先将栅极电位设置为0V，开始记录单分子器件的调控情况，可以看到图4中出现明显的电导峰，同时仪器界面上形成稳定的分子结。再继续改变电位，观察电导变化情况。

扫描隧道显微裂结可以通过扫描隧道显微裂解(STM－BJ)技术实现，STM－BJ可以控制其探针反复接触、断开基底，从而构建分子结。通过测量探针和基底之间的电导，以及施加不同的电化学电位，可以观察电导变化。如图4所示，当出现明显的电导峰时，说明STM－BJ捕获或构建得到稳定的分子结，该分子结为探针－分子－基底，也就是即为富勒烯单分子结。

实施例主要以电化学电解质调控实现。

实施例二

本实施例的实现方式为，所述单分子结位于覆盖有绝缘介电层的栅极材料上方，形成三端场效应晶体管，所述三端场效应晶体管的栅极作为单分子富勒烯场效应晶体管的栅极。

参考图3，其中三端场效应晶体管为现有技术，三端场效应晶体管从下到上依次是栅极、介电层、电极对。所述单分子结位于电极对之间。

本实施例的所述单分子富勒烯场效应晶体管由以下步骤制得：

S1，通过微纳加工的方法，将连接短路的电极对沉积在覆盖介电层的栅极上；得到三端场效应晶体管。其中，三端场效应晶体管为现有技术，其制备方法也为现有技术。

S2，在连接短路的电极对上滴加含有富勒烯分子的溶液，或将连接短路的电极对浸入含有富勒烯分子的溶液中；

S3，通过电迁移技术将连接短路的电极对烧断形成电极间隙，使富勒烯分子落入电极间隙中形成单分子结。得到如图3所示的结构。

以下为实施例一和实施例二的共同特征。

进一步地，所述富勒烯分子为空笼富勒烯、内嵌富勒烯和外接富勒烯其中的一种。

例如，D

本实施例采用D

图6为分子结在几个不同电位下的一维电导直方图，可以从图6中看到电导峰发生明显的偏移，代表电位的改变使电流发生调制，证明不同的电位下电导发生的变化是连续性的。同时，对D

进一步地，所述电解质溶液由每1L聚碳酸酯中溶解0.1mol四丁基六氟膦酸铵制得。

溶解富勒烯分子的四正丁基六氟磷酸铵(TBAPF6)和聚碳酸酯(PC)混合溶剂作为电解液，加入PC是考虑到富勒烯分子的溶解性较差，因此可以提高溶解。

进一步地，所述电解质溶液盛放于相应的液池中，所述液池预留有孔径，所述参比电极、所述对电极分别穿过所述孔径到达所述液池内部，与所述电解质溶液接触。

进一步地，所述单分子富勒烯场效应晶体管作为场效应管的用途，通过栅极调控所述单分子富勒烯场效应晶体管的电导。

进一步地，基于量子干涉效应调控所述单分子富勒烯场效应晶体管的电导。

进一步地，通过栅极调控所述单分子富勒烯场效应晶体管的电导包括：

在栅极施加连续变化的电极电位，获取所述单分子富勒烯场效应晶体管的电导变化，得到所述单分子富勒烯场效应晶体管连续变化的电极电位下的最低电导和最高电导，以及最低电导对应的第一电压和最高电导对应的第二电压；

当对所述单分子富勒烯场效应晶体管的栅极施加所述第一电压时，对所述单分子富勒烯场效应晶体管的源极和漏极之间断开；

当对所述单分子富勒烯场效应晶体管的栅极施加所述第二电压时，对所述单分子富勒烯场效应晶体管的源极和漏极之间导通。

本实施例通过对大量不同种类富勒烯分子的场效应晶体管进行实验测试和理论预测，发现量子干涉现象在单富勒烯分子器件中是普遍存在的，并且验证了基于量子干涉效应调控机制的单富勒烯分子场效应晶体管器件的可行性，为碳基电子学在晶体管中的应用开拓了新的思路和方向。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。