一種分子隧道結及其製備技術的製作方法
2023-05-11 21:07:01
專利名稱：一種分子隧道結及其製備技術的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種分子隧道結及其製備技術，特別是涉及到具有開關效應、非線性整流效應等特性的分子隧道結及其製備技術。
八十年代初，掃描隧道顯微術(Scanning tunneling microscopy，STM)問世後，這種新的顯微技術能對材料表面或吸附在表面上的物質成像，並具有納米甚至原子級的解析度。基於STM技術，人們發展了將有機分子吸附在STM針尖或樣品基底上從而形成隧道結的方法，並取得了一系列研究成果。但是這種方法的主要缺點是在測量過程中，針尖的可控制性較差，無法獲得針尖與樣品之間距離的定量數據。
此外，還有一種稱為「斷點隧道結方法(Break-point junction)」，用來製備有機分子隧道結。這種方法通過採用對微細金屬線進行可控斷裂——分子修飾——可控復位等若干步驟，可獲得微小截面的隧道結。然而，此方法同樣存在可控性較差的缺點。
該分子隧道結製備時主要是按照下述方法來實現在該分子隧道結製備過程中，所採用的毛細管是指內徑在0.01-200微米的石英毛細管、玻璃毛細管、無機中空纖維、有機中空纖維等；夾層結構的兩端所採用的導體材料是指金屬、導電聚合物等，半導體材料是指具有半導體特性的無機或有機材料等；作為中間夾層而採用的有機分子是指一端或兩端含有極性基團或納米小顆粒或分子團簇、主鏈為飽和或不飽和結構的有機分子，無機分子則是指具有可升華、揮發，或可溶解、熔融等特性，並可用來進行分子組裝的無機分子，這層分子是利用分子間作用力在導體端面組裝的一層或多層單一分子(或多種分子複合)的分子層。
在製備該分子隧道結時，首先是在毛細管一端利用毛細現象或加壓注入的方法填充金屬、導電聚合物或半導體材料，直接形成連續的金屬、導電聚合物導線或半導體線，或利用毛細現象或加壓注入的方法事先填充反應物，通過物理、化學或電化學反應在毛細管一端內形成連續的導線或半導體線，並作為一個電極；然後在毛細管內的填充物端面上組裝單層或多層有機或無機分子；最後在毛細管的另一端形成導線或半導體線作為另一電極，將有機或無機分子層封閉在毛細管內，形成導體(或半導體)——有機(或無機)分子層——導體(或半導體)的夾層結構。
在分子隧道結製備過程中，所提到的利用毛細現象是指導電聚合物溶液、電解質溶液或金屬溶液(熔融體)在大氣狀態下自動進入毛細管內，凝固後形成一連續導體；加壓注入則是指直接用吸氣裝置將反應物、導電聚合物溶液(或熔融體)、電解質溶液(或熔融體)、金屬溶液(或熔融體)吸入毛細管內並形成一連續體；或者是將毛細管一端插入反應物、導電聚合物溶液(或熔融體)、電解質溶液(或熔融體)、金屬溶液(或熔融體)中，並在液面或熔體上加壓，使反應物、導電聚合物溶液(或熔融體)、電解質溶液(或熔融體)、金屬溶液(或熔融體)進入毛細管內，形成一連續體。其中的化學或電化學反應是指金屬與鹽類的氧化還原反應、化學鍍、電化學沉積、電鍍、高分子聚合等相關的反應。
在隧道結的中間所形成的自組裝分子層是指利用分子間作用力在導體端面組裝一層或多層單一分子(或多種分子複合)的分子層。
與其他現有技術比較，本發明具有以下特點1.利用本發明製備的隧道結，有機或無機分子層自然封閉在毛細管內部，與外部環境隔離，因而具有很好的穩定性。
2.隧道結的尺寸主要由毛細管的截面決定，可製成截面直徑為微米或納米級的隧道結。
3.在檢測隧道結電性質時，可方便地引入外場條件如聲、光、磁、電等，為原位研究隧道結性質隨外場變化的行為奠定了基礎。
4.利用本發明不僅可對有機或無機分子的電性質實現穩定可靠的檢測，而且可製得具有開關效應、非線性整流等特性的微/納米器件。
圖2為另一種分子隧道結製備過程未意圖。
圖3為分子隧道結的I-V曲線。
圖4為分子隧道結的I-V曲線。
如
圖1所示，為其中一種分子隧道結的製備過程示意圖。1為金屬銦熔液；2為石英毛細管；3為金屬銦4為十八硫醇溶液5為有機分子層；6為銀氨溶液7為導線。
製備分子隧道結時，可先用注射器將熔融金屬銦1吸入長約15毫米，內徑為20微米的石英毛細管2內，使其端面升至約10毫米，待其冷卻，即在毛細管內形成一金屬導線3；然後將該毛細管的另一端插入一定濃度十八硫醇有機溶液4中進行分子組裝，待組裝好後取出則可得到其自組裝有機分子層5，再將組裝有分子層的一端埠插入銀氨溶液6中進行化學鍍銀，形成銀的覆蓋層，最後連接導線7；至此，一個有機分子隧道結的製備已完成，並可進行電性能檢測。
如附圖2所示，為另一種分子隧道結製備過程示意圖。其中標註11為毛細管；12為玻璃管；13為金屬銦熔液14為十八硫醇溶液；15為金屬銦熔液；16為製備好的分子隧道結。
具體操作過程是先將內徑為5微米的毛細管11插入內徑為100微米的玻璃管12中，然後插入容器13中的金屬銦熔液中，加壓使金屬熔液上升到內部毛細管截面處，再倒插入容器14中的濃度為0.05wt％的十八硫醇溶液中進行分子組裝，一定時間後取出，充分清洗表面剩餘溶液後，插入容器15中的金屬銦熔液中，稍加壓使液面上升至已組裝好的十八硫醇分子界面處；最後如16所示在玻璃管兩端連出導線，至此，一個有機分子隧道結即已製備出。
實施例2將內徑為25-50微米的玻璃毛細管插入金鎵合金融體中，待熔體自動進入毛細管內後，降溫，凝固；然後將其一端插入濃度為0.1-2.0wt％的十六烷醇溶液中進行分子組裝，24小時後取出，其上自組裝單層有機分子，然後將組裝有十六烷醇分子的一端用銀膠封口，銀膠凝固後即可進行電性能分析(I/V曲線見圖4)。
實施例3將內徑為5-10微米的中空纖維一端插入銅絲，浸入硝酸銀溶液中，待還原出來的銀將毛細管填滿後，取出，洗滌，晾乾；然後將其一端插入1，6-己二硫醇溶液中進行分子組裝，120小時後取出，晾乾，洗滌；再將組裝有硫醇分子的一端浸入KAu(CN)2溶液中，一端接電源線負極，進行鍍金，待毛細管口全封上後，取出，洗滌，晾乾，有機分子隧道結即已製備出來。
實施例4將內徑為100微米的石英毛細管插入銀氨溶液中，進行化學鍍銀，待管內鍍實後，取出，晾乾；然後插入濃度為0.02-1.0wt％的硬脂酸溶液中進行分子組裝，48小時後取出，洗滌，晾乾；再將組裝有分子的一端用磁控濺射的方法鍍上一層銅膜，一個有機分子隧道結即已形成。
實施例5如附圖2所示，先將內徑為5微米的毛細管11插入內徑為100微米的玻璃管12中，然後插入容器13中的金屬銦熔液中，加壓使金屬熔液上升到內部毛細管截面處，再倒插入容器14中的濃度為0.05wt％的十八硫醇溶液中進行分子組裝，120小時後取出，充分清洗表面剩餘溶液後，插入容器15中的金屬銦熔液中，稍加壓使液面上升至已組裝好的十八硫醇分子界面處；最後如16所示在玻璃管兩端連出導線，至此，一個有機分子隧道結即已製備出。
權利要求
1.一種分子隧道結，其特徵在於由隧道結的兩端為由金屬、導電聚合物或半導體材料形成的導線或半導體線和隧道結的中間為由無機或有機分子有序排列而成的分子層構成的微小器件。
2.一種分子隧道結製備技術，其特徵在於首先在毛細管一端利用毛細現象或加壓注入的方法填充金屬、導電聚合物或半導體材料，直接形成連續的金屬、導電聚合物導線或半導體線，或利用毛細現象或加壓注入的方法事先填充反應物，通過物理、化學或電化學反應在毛細管一端內形成連續的導線或半導體線，並作為一個電極；然後在毛細管內的填充物端面上組裝單層或多層有機或無機分子；最後在毛細管的另一端形成導線或半導體線作為另一電極，將有機或無機分子層封閉在毛細管內，形成導體或半導體——有機或無機分子層——導體或半導體的夾層結構。
3.根據權利要求2所述的分子隧道結製備技術，其特徵在於其中的毛細管是指內徑在0.01-200微米的石英毛細管、玻璃毛細管、無機中空纖維或有機中空纖維。
4.根據權利要求2所述的分子隧道結製備技術，其特徵在於所述導體是指金屬或導電聚合物，所述半導體是指具有半導體特性的無機或有機材料。
5.根據權利要求2所述的分子隧道結製備技術，其特徵在於所述有機分子是指一端或兩端含有極性基團或納米小顆粒或分子團簇、主鏈為飽和或不飽和結構的有機分子，所述無機分子是指具有可升華、揮發，或可溶解、熔融等特性，並可用來進行分子組裝的無機分子。
6.根據權利要求2所述的分子隧道結製備技術，其特徵在於所述利用毛細現象是指導電聚合物溶液、電解質溶液或金屬溶液或熔融體在大氣狀態下自動進入毛細管內，凝固後形成一連續導體。
7.根據權利要求2所述的分子隧道結製備技術，其特徵在於所述加壓注入是指直接用吸氣裝置將反應物、導電聚合物溶液或熔融體、電解質溶液或熔融體、金屬溶液或熔融體吸入毛細管內並形成一連續體；或者是將毛細管一端插入反應物、導電聚合物溶液或熔融體、電解質溶液或熔融體、金屬溶液或熔融體中，並在液面或熔體上加壓，使反應物、導電聚合物溶液或熔融體、電解質溶液或熔融體、金屬溶液或熔融體進入毛細管內，形成一連續體。
8.根據權利要求2所述的分子隧道結製備技術，其特徵在於所述化學或電化學反應是指金屬與鹽類的氧化還原反應、化學鍍、電化學沉積、電鍍或高分子聚合反應。
9.根據權利要求2所述的分子隧道結製備技術，其特徵在於所述自組裝分子層是指利用分子間作用力在導體端面組裝一層或多層單一分子或多種分子複合的分子層。
全文摘要
一種分子隧道結具有「導體(或半導體)—有機(或無機)分子層—導體(或半導體)」夾層結構,其製備技術主要是:首先在毛細管一端利用毛細現象或加壓注入的方法填充金屬、半導體材料或導電聚合物,直接形成連續的金屬、導電聚合物導線或半導體線,並作為一個電極；然後在毛細管內的金屬端面上組裝有機或無機分子層；最後利用上述同樣的方法在毛細管另一端形成導線或半導體線作為另一電極,並將有機或無機分子層封閉在毛細管內。利用本發明不僅可對有機或無機分子的電性質實現穩定可靠的檢測,而且可製得具有開關效應、非線性整流等特性的微/納米器件。
文檔編號B82B1/00GK1422799SQ0114030
公開日2003年6月11日 申請日期2001年12月3日 優先權日2001年12月3日
發明者萬立駿, 王琛, 白春禮, 範小林, 楊德亮, 徐善東, 商廣義, 陳義, 徐偉 申請人:中國科學院化學研究所