生资格考试教授

分子电子学的材料基础2013博士生资格认证博士生：张东东

指导教师：邱勇教授主要内容背景简介研究内容及拟解决的关键科学问题项目研究方案及目标可行性分析及基础时间安排1主要内容2背景简介研究内容及拟解决的关键科学问题项目研究方案及目标可行性分析及基础时间安排分子电子学: 以有机分子为基础材料，在分子的尺度上进行组装加工电学、光学器件，即分子电子器件，并对分子电子器件运行机理进行阐明。名词解释3单分子场效应晶体管：利用单个分子制作的场效应晶体管，其意味着更高的集成度和更快的运行速度，是未来计算机的发展方向。1998年，荷兰Delft大学的Cees

Dekker领导的课题组采用单根纳米管首次成功的制作了第一个纳米晶体管，但晶体管的性能很不理想[2]。2001年，美国IBM公司研发出了迄今为止性能最优异的碳纳米晶体管，它的某些性能指标甚至比目前最先进的硅晶体管还要好Iijima

S.,

Nature,

1991,

354,

56~58.Philip

G.

Collins

et

al.

Science

292,

706

(2001);单个原子或单分子的晶体管受到了广泛地关注。尽管这种单分子/单原子的晶体管离实用还很遥远，但是这些成果表明以单个分子充当活动单元的纳米晶体管是可以制造出来的Nature,

2000,

407,

57~60.Phys.

Rev.

Lett.,

2004,

93,140408Nature,

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417,

722~725.Sergey

Kubatkin,

Nature,

2005,

425,

698-701材料分类满足条件材料举例P型较浅的HOMO能级，高的空稠环芳香烃及其衍生物迁移率可以达到40

cm2/(V.s)穴迁移率以及较高的稳定性杂环小分子及其衍生物左右含氮杂稠环及含氮共轭大环分子n型迁移率能够到5cm2/(V.s)左右较深的LUMO能级，高的空穴迁移率以及较高的稳定性含氟化合物，含酸酐、酰亚胺基团化合物，含氰基化合物以及C60及其衍生物等双极性较浅的HOMO能级以及较深电子空穴最高在1

cm2/(V.s)的LUMO能级，能级带隙要左右小。高的空穴迁移率以及较高的稳定性双极性的晶体管可以在同一个器件中同时提供n型和p型的传输，因此单个器件即可实现互补的集成电路HOMO能级需要低于-5.0eV来实现空穴的传输，而对于电子的传输，LUMO能级需要低于或者接近-4.0

eV。考虑到器件的源极和漏极用的是同一种金属，为了避免注入势垒，半导体材料的

HOMO与LUMO能极差不能太大Adv.

Mater.

2013,

DOI:

10.1002/adma.201302315J.

Am.

Chem.

Soc.

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133

,

20799.Adv.

Mater. 2012

,

24

,

647.Adv.

Mater.

2013,

DOI:

10.1002/adma.201302315萘四酰亚二胺（NDI）的衍生物，这种材料的HOMO能级与LUMO能级之间的带隙（Eg）很小，通过电压的调控可以实现金属电极分别与分子的HOMO与LUMO能级的匹配，从而实现双极性传输双极性单分子晶体管对于数字模拟提供了新的设计理念，同时对于研究同一分子的电子和空穴的传输提供了可能，另外，也有助于了解分子的能级与传输之间的关系Diez-Perez,

et

al.

ACS

Nano,

2012,

6,

7044-7052双极性单分子晶体管存在的问题：1、材料种类很少，目前关于材料的整体的迁移率很低。2、材料结构与材料的能级和性能的关系尚不明确3、材料结构与器件的性能关系缺乏认识4、单分子晶体管的实用还很遥远主要内容13背景简介研究内容及拟解决的关键科学问题项目研究方案及目标可行性分析及基础时间安排材料设计理论计算器件构筑材料合成研究内容双极性单分子场效应晶体管拟解决的关键科学问题设计合成优异的双极性单分子场效应晶体管半导体材料，使其具有高的迁移率和高的稳定性。探究材料的结构与HOMO与LUMO能级之间的关系，同时探究材料的能级与其单分子晶体管性能的关系，为设计新型的单分子晶体管材料奠定基础。搭建构筑单分子晶体管的模型，测试单分子的电导率和迁移率，从而为评测材料提供一个有效的平台。同时，探究材料的结构与材料基本性能的关系，为进一步优化材料提供依据。1、本项目一方面从现有的高效的半导体材料出发，通过合理的设计使其能够有效地利用于单分子半导体器件中，另一方面从红外光材料的体系出发，通过引入较好的给受体调节能级，发展新的材料体系2、系统探索材料的结构对材料的能级和性能的影响，这在目前还没有报道。3、单分子晶体管的性能主要取决于单个分子的性能，并不涉及分子间的相互作用。但这种关系目前没有人研究，本项目将探索材料的结构与单分子晶体管性能的关系，为分子的设计合成提供理论基础。创新性主要内容16背景简介研究内容及拟解决的关键科学问题项目研究方案及目标可行性分析及基础时间安排1、材料的设计材料的设计将从现有的高效的半导体材料出发，引入不同的基团调节其HOMO与LUMO使其达到双极性传输的目的。另一方面，从近红外材料的体系出发，通过引入给受体调节能级，获得能级合适的并且带隙小的新的材料体系。另外，在材料中引入-SH基团，使其能够应用于单分子晶体管中。OOOON

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N2、材料的理论预测利用高斯理论计算化学软件对拟设计合成的目标分子进行性能模拟，主要包括分子基态结构的优化，HOMO及LUMO能级的预测等。在最优构象下，特别关注浅HOMO、深

LUMO以及HOMO与LUMO能及差小的材料，这些类型分子能级和电极能级更能匹配，

有利于降低注入势垒。并研究能级与结构之间的变化趋势和规律。利用理论计算的数据，研究分子性能的变化趋势，为后期的材料制备和性能研究提供基本依据。3、材料的合成本研究选择若干共轭分子体系，拟选用苝并噻吩、萘酰亚胺体系，通过引入不同的基团调节材料的能带结构来调节其与电极的注入势垒，从而设计合成一系列的双极性传输材料发展新的合成方法。并且将-SH引入，使得分子与金属电极能够键连。合实验条件相对成熟，反应产率高，具备大规模制备的潜力。拟设计合成的目标分子合成路线如图所示：4、新型材料的结构表征及基本性能测试目标分子的结构采用质基本手段表征和确认。测试关于HOMO与LUMO带隙的大小。材料的电化学性质采用循环伏安法测试。5、单分子晶体管模型的制备及基本表征单分子晶体管模型是利用扫描速道显微镜来构筑的。单分子结的导电性是利用STM断结法来测量的，而单分子的电荷传输测量是通过一种叫做

“眨眼法”的方法测量。研究目标设计合成优异的双极性单分子场效应晶体管半导体材料，使其具有高的迁移率和高的稳定性。探究材料的结构与HOMO与LUMO能级之间的关系，同时探究材料的能级与其单分子晶体管性能的关系，为设计新型的单分子晶体管材料奠定基础。搭建构筑单分子晶体管的模型，测试单分子的电导率和迁移率，从而为评测材料提供一个有效的平台。同时，探究材料的结构与材料基本性能的关系，为进一步优化材料提供依据。主要内容21背景简介研究内容及拟解决的关键科学问题项目研究方案及目标可行性分析及基础时间安排可行性分析1、材料设计与合成：场效应的半导体小分子有机材料一直是晶体管研究的重要方向，有机合成工作者们积累了大量的经验，并合成了高性能有机半导体材料。2、申请人熟悉本项目所涉及的合成反应和研究方法，对前期的合成路线进行了初步的尝试，技术路线可行，预期可以实现目的。同时申请人的实验室和所在单位拥有完备的实验仪器和表征仪器，具有进行单分子器件制备和测试的基本研究平台。综上所述，本项目是切实可行的，通过努力可以达到预期目标。主要内容25背景简介研究内容及拟解决的关键科学问题项目研究方案及目标可行性分析及基础时间安排经费申请（单位：万元）1、研究经费：1002、国际合作与交流费：53、劳务费：54、管理费：2-----合计：112262014.1-2015.1文献调研，设计分子，对分子进行理论优化，确定最终的分