[發(fā)明專利]一種基于局域陽離子調(diào)控的可逆單分子開關(guān)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310058985.2
• 申請日: 2023-01-16
• 公開（公告）號: CN115955899A
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王亞浩;鄭菊芳;童凌;周小順
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江師范大學(xué)
• 主分類號: H10K99/00
• 分類號: H10K99/00;H10K71/00
• 代理公司: 北京盛詢知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11901
• 代理人: 陳巍

本發(fā)明公開一種基于局域陽離子調(diào)控的可逆單分子開關(guān)，屬于分子電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明基于電化學(xué)掃描隧道顯微鏡裂結(jié)技術(shù)，通過控制電位改變界面雙電層中局域陽離子的分布，從而影響羧酸分子狀態(tài)，以此調(diào)節(jié)羧酸分子與金針尖的接觸作用，實(shí)現(xiàn)單分子開關(guān)；所述電位為?0.5?0V。本發(fā)明證實(shí)了電化學(xué)界面局域陽離子對羧基分子的影響，為通過柵電極實(shí)現(xiàn)可逆單分子開關(guān)實(shí)際應(yīng)用開辟了新的途徑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于分子電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于局域陽離子調(diào)控的可逆單分子開關(guān)。

背景技術(shù)

隨著對電子器件微型化需求的不斷增加，使用化學(xué)性質(zhì)相同的分子作為功能元件已經(jīng)成為納米科學(xué)的一個蓬勃發(fā)展的分支領(lǐng)域。由于分子開關(guān)在信息存儲、邏輯數(shù)據(jù)處理和信號處理中起著關(guān)鍵作用，因此構(gòu)建可靠的分子開關(guān)是重要的一步。在過去的三十年里，設(shè)計單分子開關(guān)的常用方法是使用具有刺激-響應(yīng)的分子骨架，利用外部刺激如光、力學(xué)、pH值、化學(xué)反應(yīng)物、磁和電，通過改變分子構(gòu)象或者自旋/氧化還原狀態(tài)。然而，這通常需要復(fù)雜的有機(jī)合成來獲得具有刺激響應(yīng)分子骨架，目前這種方式分子開關(guān)報道的開/關(guān)比較小，且大多數(shù)外部刺激方法不能應(yīng)用于全電驅(qū)動的電路組件。另一方面，分子-金屬接觸作用也可以顯著影響電子傳輸。在保持分子主干不變的情況下原位控制分子-電極接觸作用充滿挑戰(zhàn)，電化學(xué)方法可以利用施加電位有效地改變電極表面的電荷狀態(tài)，調(diào)節(jié)界面雙電層離子的分布，進(jìn)而影響羧基與金屬電極的相互作用。基于此，通過電化學(xué)調(diào)節(jié)電極界面雙電層中外亥姆霍茲層的局部離子類型，來控制電極與羧酸分子連接，這為實(shí)現(xiàn)可逆的高性能單分子開關(guān)提供了一種新的思路。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于局域陽離子調(diào)控的可逆單分子開關(guān)，通過電位調(diào)控電極界面外亥姆霍茲層中離子類型，從而控制分子與針尖間接觸作用達(dá)到電導(dǎo)值突變，實(shí)現(xiàn)單分子開關(guān)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案：

一種基于局域陽離子(Na⁺，K⁺，Ca²⁺，Mg²⁺)調(diào)控的可逆單分子開關(guān)，基于電化學(xué)掃描隧道顯微鏡裂結(jié)技術(shù)(EC-STM-BJ)，以金屬金為基底，以含有羧基的化合物為目標(biāo)分子，通過控制電位改變界面雙電層中局域陽離子的分布，從而影響羧酸分子狀態(tài)，以此調(diào)節(jié)羧酸分子與金針尖的接觸作用，實(shí)現(xiàn)單分子開關(guān)；

所述電位為-0.5-0V。

進(jìn)一步地，含有羧酸分子的溶液是以4-甲硫基苯甲酸為目標(biāo)分子在高氯酸鹽水溶液中配制而成，溶液中陽離子為Na⁺、K⁺、Ca²⁺或Mg²⁺。

進(jìn)一步地，所述金的純度≥99.999％。

本發(fā)明還提供一種所述的基于局域陽離子調(diào)控的可逆單分子開關(guān)的制備方法，基于電化學(xué)掃描隧道顯微鏡裂結(jié)技術(shù)，以金屬金為基底，以含有羧基的化合物為目標(biāo)分子，通過控制電位改變界面雙電層中局域陽離子的分布，從而影響組裝在金基底上的羧酸分子狀態(tài)，以此調(diào)節(jié)羧酸分子與金針尖的接觸作用，實(shí)現(xiàn)單分子開關(guān)；所述電位為-0.5-0V。

進(jìn)一步地，所述基于局域陽離子調(diào)控的可逆單分子開關(guān)的制備方法具體如下：

在電解池底部安裝金基底，在掃描隧道顯微鏡(STM)的掃描頭上插入金針尖，以金(111)基底為工作電極，以鉑為對電極和參比電極，將含有羧酸分子的溶液倒入電解池中，分別控制電位為-0.5V和0V，待整個裝置穩(wěn)定時開始測試；

設(shè)置掃描隧道顯微鏡偏壓為50mV，控制金針尖逼近金(111)基底達(dá)到預(yù)設(shè)的電流值8nA，再施加一個脈沖電壓讓針尖與基底軟接觸后以20nm/s的速度遠(yuǎn)離金基底，再此期間采樣卡以20kH收集電導(dǎo)-距離曲線。循環(huán)上述過程數(shù)千次即可得到打大量的的電導(dǎo)-距離曲線用于繪制一維電導(dǎo)統(tǒng)計圖，進(jìn)而得到單分子結(jié)電導(dǎo)值。通過兩個電位間循環(huán)跳躍達(dá)到分子與金針尖間通斷路，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單分子開關(guān)，即得到基于局域陽離子調(diào)控的可逆單分子開關(guān)。