多功能分子电子器件的设计、微纳加工和应用研究

本项目的研究计划将以纳米科技和分子电子学为核心，充分发挥团队在化学、材料、器件物理和工程方面交叉的复合背景的优势，目的在于解决纳米材料和器件的结构、组装和性能之间的密切关系的基础性实践与理论问题，开展一系列的基础性和应用性的原创性研究。其研究计划的核心思想是"反应化学与刻蚀技术的融合"，即将化学中存在的自由的分子设计和灵活的合成方法与目前在物理和工程方面前沿的微纳加工方法有机紧密的结合在一起，来发展一种强交叉的高度集成的自上而下和自下而上相互融合的途径。具体研究方向主要包括：1. 复合p-n纳米异质结的研究；2. 生物传感器的研究；3. 快速可逆的纳米开关的研究；4. 多功能复合异质结的研究；5. 以单分子层石墨为电极的分子电子器件的研究。这些都是富有挑战性和前瞻性的强交叉前沿领域。从事这方面研究的研究生或博士后将会在有机合成、自组装技术、器件加工和测试手段各个方面得到全面的培养。

本项目以纳米/分子电子学中的核心研究—纳米/分子器件—为研究方向，以从化学物理、模型器件实际器件为研究思路，面向新一代纳米/分子器件这一主要目标，从材料器件物理本质理论模型来开展工作。项目的研究工作按计划进行，未作重要变动。2009-2012年间的研究探索集中在纳米材料的控制生长、纳米材料的性质和器件功能的构筑，积极推动面向未来器件研发的探索性研究课题。主要研究内容概括如下：.1, 单壁碳纳米管基CMOS器件的材料与技术基础：提出了“碳纳米管轴向能带工程”的概念，即利用各种物理和化学方法, 对单壁碳纳米管的局域能带结构进行分子工程学设计, 以期实现沿碳纳米管轴向大量构建各种单元器件的目的；研究了碳纳米管交叉结构中的径向形变对输运性质的影响；开展了水在碳纳米管内的纳流体流动特性研究；研究了单壁碳纳米管垂直阵列的化学组装及其性质；开展了碳纳米管电极合成电荷转移复合物纳米线的研究；发展了单壁碳纳米管的光催化剪裁与图形化方法。.2, 石墨烯的表面控制生长、化学修饰与光催化剪纸电子学：发展了石墨烯的偏析生长方法，发展了氮掺杂石墨烯偏析生长方法，发展了双层石墨烯的化学气相沉积外延生长方法，利用高分辨STM研究了石墨烯的生长机制，提出了“光化学能带工程”的概念，建立了石墨烯的光氯化加成方法和光催化剪纸技术，利用活性自由基实现了碳-碳键的修饰、剪裁和能带调控。.3, 功能复合纳米/分子电子器件的设计和构筑：系统深入研究了单/三金属配位的DNA分子的导电性，证实了通过结构改变能够提高DNA导电性的理论预测；结合微流控技术，实现直接的、高灵敏的、高选择性的蛋白质在线检测；发展了一种制备锯齿形石墨烯点电极阵列的普适方法，提高了分子电子器件的制备成功率，并通过光、质子和离子等手段实现了对器件导电性的可逆调控。.4, 刺激响应的功能纳米有机场效应晶体管：利用单壁碳纳米管作为分子点电极，构筑了液晶分子HBC的超小分子晶体管，探索了材料在分子尺寸上自组装纳米结构的本征光电行为；发展了制备石墨烯基的二维平面电极的普适性方法，制备了光响应的薄膜或单分子层有机场效应晶体管器件；利用有机无机半导体材料的特异性质和能带优势，重点发展了一些列的光响应的纳米器件，在同一器件上实现了具有镜像对称关系的光开关效应；发展了若干具有特殊界面的场效应晶体管，研究了由界面效应引起的本征光电响应规律。