[發明專利]一種電學可控單分子開關器件及制備方法

在審

• 申請號: 202011413727.4
• 申請日: 2020-12-04
• 公開（公告）號: CN114597260A
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 郭雪峰;李渝
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/06;H01L29/16;H01L29/10;H01L21/336
• 代理公司: 北京柏杉松知識產權代理事務所(普通合伙) 11413
• 代理人: 項京;王春偉

本申請提供了一種電學可控單分子開關器件及制備方法，該單分子開關器件，通過在每對石墨烯點電極形成的末端羧基(—COOH)懸掛鍵與自由基型的分子橋中的氨基(—NH₂)封端的分子進行酰胺化反應進行架橋，實現了通過酰胺鍵(—CO—NH—)和具有自由基型的分子橋連接，進而實現了每對石墨烯點電極之間的分子架橋。因此，能夠通過調節輸入的柵極電壓，控制源極和漏極之間的電流大小，從而實現開關控制。也就是說，該單分子開關器件實現了穩定的電控制，有利于單分子開關器件真正的集成化應用。

技術領域

本發明涉及單分子器件技術領域，特別是涉及一種電學可控單分子開關器件及制備方法。

背景技術

目前，單分子器件還處于研究階段，出現了主要通過光學可控的單分子開關器件。其基本原理是在兩個開關電極之間，設置有二芳烯(DAE)，偶氮苯等光敏分子作為功能中心，該功能中心的分子通過紫外和可見光交替照射，產生不同幅度的電流信號，形成開環和閉環狀態，實現光學可控的開關功能。

然而，真正的集成化電路難以通過光刺激的方式進行開關控制，且光照條件可能帶來額外的熱效應，增加能耗。也就是說，通過光刺激的方式進行開關控制，很難實現真正的集成化應用。因此，需要開發由其他相對穩定的方式進行控制的單分子開關器件，以利于單分子開關器件真正的集成化應用。

發明內容

本申請的目的在于提供一種電學可控單分子開關器件及制備方法，以利于單分子開關器件真正的集成化應用。

為實現上述目的，本申請提供了一種電學可控單分子開關器件，該單分子開關器件為石墨烯基單分子器件，包括：基底層和石墨烯層；

所述石墨烯層位于所述基底層上；

所述石墨烯層上鍍有位置相對設置的至少一對金屬電極，每對金屬電極中，一個作為三極管的源極，另一個作為三極管的漏極；

位于每對源極和漏極之間的石墨烯形成導電溝道；

每個所述導電溝道中被刻蝕出了石墨烯點電極陣列，該石墨烯點電極陣列包括串行間隔排列的多對石墨烯點電極，每對石墨烯點電極之間被刻蝕出一個納米級間隙；

每個納米級間隙兩端的石墨烯點電極通過酰胺鍵(—CO—NH—)和具有自由基型的分子橋進行連接；

所述石墨烯層設置有柵極，通過調節輸入的柵極電壓，控制源極和漏極之間的電流大小，實現開關控制。

其中，所述具有自由基型的分子橋優選為：末端為氨基及其衍生物的基團，優選為如下之一：

紫精類、類紫精類、噻唑并噻唑類自由基化合物。

所述紫精類自由基化合物，優選為：

所述類紫精類自由基化合物，優選為：

噻唑并噻唑類自由基化合物，優選為：

優選的，所述石墨烯點電極陣列，通過如下方式刻蝕：

通過電子束刻蝕，在掩膜層上每個所述導電溝道對應的位置中按預設尺寸進行刻蝕，形成串行間隔排列的多個窗口；

用氧等離子體刻蝕各個窗口下石墨烯層暴露的石墨烯，形成包括串行間隔排列的多對石墨烯點電極的石墨烯點電極陣列，其中，每對石墨烯點電極之間被刻蝕出一個納米級間隙；且每個納米級間隙的兩端的石墨烯點電極末端形成有羧基(—COOH)懸掛鍵；

所述每個納米級間隙兩端的石墨烯點電極通過酰胺鍵(—CO—NH—)和具有自由基型的分子橋連接，通過如下方式實現：