自组装分子异质结器件及其整流效应

Molecular electronics which have tremendous potential in the future optoelectronics have attracted large attention since the first theoretical simulation of a single molecule as the active part of a rectifier in 1974. Single-molecule electronics which investigate the charge transport mechanism of individual or small groups of molecules in the self-assembled monolayers (SAMs), provide meaningful insight into the intrinsic molecular structure-property relationship. We are planning to use various metals with different Fermi levels to coat the conducting probe-atomic force microscopy (CP-AFM) tips, and thus achieve the molecular heterojuctions with asymmetric electrodes by using AFM tip as a top electrode. This is an efficient and convenient way to fabricate and measure monolayer heterojunctions on the order of a few hundred molecules. Based on this unique device conformation, the transport properties and rectification of serial molecules with different substituents and anchoring groups can be measured from their SAMs on metal substrate. The rectification and electrical properties of the molecules could also be further investigated theoretically and related to the experimental findings. The actualization of this project can help the researchers to fundamentally understand the relationship between molecular structure, device configuration and intrinsic transportation, and also benefit the functional utilization of molecular electronics.

自1974年首次从理论上预测了单分子可以作为整流器之后，分子电子学由于其在未来光电子学中巨大的潜在应用而引起研究人员的广泛关注。分子电子学器件通过研究单个分子或者自组装单分子层中少量分子的电荷传输性能，可以深入揭示分子结构和性质之间的内在联系。本申请拟采用具有不同费米能级的金属材料涂层去修饰导电原子力显微镜（CP-AFM）针尖，然后采用原子力针尖作为顶电极去构筑不对称电极的分子异质结。这种方法能快捷有效地制备和测试基于单分子层中大约一百个分子左右的异质结器件。基于这种独特的器件结构，系统测试具备不同取代基和固定基团的系列自组装单分子层的分子器件，并且深入研究其整流效应。这些分子器件的电学性能和整流效应还可以进一步通过理论计算来和实验结果来进行对比解释和深入探讨。预期通过本项目的顺利实施，有效提高对分子结构、器件构造与本征传输特性关系的认识，促进实现分子器件的功能化与最终应用。

分子电子学器件通过研究单个分子或者自组装单分子层中少量分子的电荷传输性能，可以深入揭示分子结构和性质之间的内在联系。本项目的研究针对小分子的自组装单分子层和分子异质结器件的构筑与测试，结合实验和理论开展电荷传输机制的研究工作。通过四年的深入研究，密切围绕项目主题和研究方案，取得一系列重要研究进展，圆满完成项目的全部目标，为后续研究的开展打下良好基础。本项目取得的主要研究成果包括以下三个方面：1. 共轭OPE（苯乙炔寡聚物）等有机小分子自组装单分子层的制备并通过导电原子力等方法构筑器件进行测试，阐明输运规律；2. 从实验和理论两个方面围绕不对称电极分子电子学器件的电荷输运研究，系统分析了其中展示的整流效应、取代基效应和固定基团效应；3. 利用其它异质结和二维材料成功获得一系列高效光电器件。项目期间共申请专利2项，发表SCI论文43篇，其中包括J. Am. Chem. Soc.; Adv. Mater.; Nat. Commun.等国际知名期刊，有6篇论文被选为封面(Cover)或背封面(Back Cover)等进行了重点介绍。相关成果还被MaterialsView China、科学网等科技媒体进行多次报道，受到国内外同行的广泛关注。项目负责人在项目执行期内获得优秀青年科学基金的资助，担任了4个国际国内期刊的编委和客座编辑。依托项目培养博士生4名和硕士生2名，其中2人次获得国家奖学金。