“无机纳米颗粒-有机分子”复合体系的电子输运性质及功能器件

"无机纳米颗粒-有机分子"复合体系同时具有纳米颗粒和有机分子的优点，在纳米器件方面具有广泛的应用前景。本项目拟综合利用自组装、微接触印刷和微纳米加工技术制备适合电学性质测量的图案化的纳米颗粒阵列，系统而深入地研究有机分子互连的纳米颗粒阵列在不同温度下的电子输运性质，阐明"无机纳米颗粒-有机分子"复合体系的阵列的电子输运机制；揭示在纳米颗粒阵列从二维到三维的结构转变过程中，电子输运性质的演变规律；通过选择具有光敏感基团的有机分子，研究有机分子互连的纳米颗粒阵列的光电流效应，理解分子结的光电流效应中纳米颗粒和有机分子的协同作用；用带功能基团的有机分子互连相邻的纳米颗粒，在分子互连的二维纳米颗粒阵列中实现具有功能性的分子原型器件；为基于"无机纳米颗粒-有机分子"复合体系的器件方面的应用奠定基础。

本项目研究了“有机分子-无机纳米颗粒”复合体系的结构制备及其电荷输运性质，项目中完成的主要内容包括：（1）图案化纳米颗粒阵列的制备。结合自组装方法和传统的微纳米加工技术，实现了图案化纳米颗粒阵列的制备。我们的方法既能够任意控制纳米颗粒阵列的几何形状，又能保持纳米颗粒阵列内部的有序性，而且还能够控制纳米颗粒图案在基片上的位置，并且可以将图案化纳米颗粒阵列与外部电极很好地连接起来，为进一步研究图案化纳米颗粒阵列的电荷输运性质奠定了基础；（2）悬空纳米颗粒单层膜的制备及其电荷输运性质的研究。将在水面上自组装形成的二维纳米颗粒单层膜覆盖在铜网上，在铜网的开孔区域形成悬空的纳米颗粒单层膜；并成功利用气流将铜网上的悬空膜转移到固体基片上，使其连接从基片上凸出来的电极，变温测量了悬空的纳米颗粒阵列的电荷输运性质，并与有基底支撑的纳米颗粒阵列的电荷输运性质做比较，解释了二者之间的差异；（3）纳米颗粒阵列中单电子充电能的调制。在前述制备图案化纳米颗粒阵列的基础上，我们系统研究了调制纳米颗粒阵列中单电子充电能的方法。除了传统的通过改变纳米颗粒的尺寸和间距之外，我们还发现通过改变阵列的维度，即改变纳米颗粒最近邻颗粒数，和纳米颗粒周围分子的介电常数，也能够调制单电子充电能；（4）纳米颗粒阵列中的电荷输运性质对阵列维度的依赖性。图案化纳米颗粒阵列的制备方法的成功实现，使我们能够研究阵列维度对电荷输运性质的影响。在二维阵列的基础上，逐层增加阵列的厚度，我们详细研究了阵列结构从二维到三维转变过程中电荷输运性质的演变规律，包括在库仑阻塞区电流随电压指数的变化、中温区单电子充电能的变化、高温区绝缘体行为到金属行为的转变；（5）用悬空纳米颗粒阵列制备纳米颗粒管状结构。将悬空的纳米颗粒膜从铜网上用气流释放之后，由于膜内部的应力作用，悬空膜会自卷曲形成中空的管状结构，首次在不使用模板的情况下，用纳米颗粒构建了三维结构。用多种表征方法，包括光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜对纳米颗粒管状结构进行了表征。