分子电子学材料

分子电子学是指用有机功能材料的分子构筑电子线路和各种元器件，如分子开关、分子整流器、分子晶体管等，并测量和解析这些分子尺度元器件的电特性或光特性的一门学科。

20世纪是无机半导体的世纪，21世纪将是有机分子电子学的世纪。科学家们根据摩尔定律预测，无机半导体集成电路的发展，将在2020年左右达到极限。随着人类进入信息时代，电子技术要求器件和系统向“更小”“更快”“更冷”的方向发展什么是分子电子学“更小”指器件和电路的尺寸更小“更快”指响应和操作速度更快“更冷”指单个器件的功耗更小。但近年来，人们在向“更小”发展的过程中遇到了较大困难。以硅集成电路为例，国际上已能生产最小线宽为130纳米的电路，但在进一步发展到线宽小于100纳米以下的电路（即所谓“纳米电子器件”）时就会遇到两大困难.一是由于这一尺寸无法使用光刻技术因为它已远远小于光刻技术中所用光束的波长，而且掩膜和硅片的平整度及两者的平行度也成为工艺方面的瓶颈二是工艺设备和研发的投资可能远远大于回报，因为根据摩尔第二定律，这种成本随器件尺寸的减小呈指数增长。如果能在一个有机分子的区域内实现对电子运动的控制，使分子聚集体构成有特殊功能的器件——分子器件，则完全有望突破摩尔定律，极大地提高电路的集成度与计算机的运行速度。因此，科学家将注意力逐渐集中到分子学，也是很自然的事情。

分子电子学研究的基本问题大体上可分为两类:分子器件和分子材料。分子器件主要研究分子导线、分子开关、分子整流器、分子存储器、分子电路、分子电子芯片等，与传统的固体器件相比，分子器件具有很多优点。1、分子电子芯片的尺寸比目前的硅芯片小3个数量级2、一个同样体积的分子芯片具有比通常芯片高出几百万倍的计算能力3、在不明显增加成本的前提下，由于集成度的提高，计算速度也会大大提高。而通过自组装方式构造分子器件，可成功解决有机功能分子与界面的接触问题及分子电子学研究的基本问题分子材料主要研究哪些材料能够用于制作分子器件、材料的制备方法及性能测试等。这两类基本问题是相辅相成、密不可分的。如何将分子材料与分子器件的研究有机结合，并协调发展，是分子电子学研究的精髓，也是推动分子电子学发展的核心动力。界面接触导致的测量误差。构筑任何一个分子器件的基本前提是：必须将少数几个分子，甚至单个分子镶嵌在两个电极之间，形成电极-分子-电极（即MMM连接）。这种连接可以采用两个方法实现：（1）采用扫描隧道显微镜（STM）或导电针尖原子力显微镜（CP-AFM）构筑模型器件；（2）采用纳米间隙的电极对，构筑实际的连接器件。但这种MMM连接的研究，大多局限在少数大分子如DNA和纳米碳管上。现在，分子与电极的连接大多是一种简单的机械接触，其接触电阻对器件的作用严重影响了器件的性能与可重复性。为了解决这些问题，在功能材料的末端，可有目的地引入一些用于自组装的功能性基团，通过自组装使材料与电极通过化学健接触而非机械接触结合。因此，自组装技术近年来在分子器件研究中得到越来越广泛的重视。

依据分子器件构筑过程当中的驱动力是靠外因还是靠内因，可将分子器件分为两类，即人工组装分子器件与自组装分子器件。人工组装分子器件是按照人们的意志，利用物理和化学方法，人工地将分子尺度的物质单元组装、排列，构成分子器件。人工组装所用的装配工具是近年来发展起来的扫描隧道显微镜，它的最大优点是在组装过程中可以加入人工设计，但因为仪器所限，大规模、高效率、低成本的直接组装仍然没有实现。

自组装本身就是生物系统中相当普遍的现象，如DNA的合成，RNA的转录、调控及蛋白质的合成与折叠等。构筑分子器件——人工组装与自组装

将自组装引入分子器件的制备领域，是指分子及纳米颗粒等结构单元在平衡条件下，通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德瓦耳斯键和弱的离子键等，自发缔合成稳定的、结构完美的一维、二维甚至三维结构的过程。自组装采用“自下而上”，即化学生物的方式，按照人工设计有序地排列分子，能真正实现实用化和大规模生产，从而减少成本。这引起了化学家、物理学家、生物学家以及材料科学家的重视。分子开关

分子开关是指用电双稳材料（对材料两端施加电压，当电场达到某一阈值时，该材料可由高阻态转为低阻态；若再通过某种能量激励，如反向电场或电流脉冲，又可使材料从低阻态恢复到高阻态。在没有外加刺激时，两种状态均能稳定存在。）制成的具有双稳态特性的量子化体系。当外界光、电、热、磁、酸碱度等条件变化时，分子的形状、化学健的生成或断裂、振动以及旋转等性质会随之变化，通过这些几何和化学的变化，分子可以在两种分子器件扫描状态之间可逆转换，两种状态由于电阻值高低不同而对应于电路的通断，从而实现信息传输的功能。分子开关最新进展1.磁性分子开关磁性分子开关是由具有自旋互变性质的基团或小分子配置在适当的超分子结构中形成的。在外加条件的作用下，该核心部位的电子在分子轨道中的能级排布会发生变化，使单电子的数目发生改变，以改变分子的磁性。最近迅速发展的分子强磁性的研究就是这一方面的代表。有研究人员最近合成了具有光致变色性质的二芳基烯Diarylethene)磁性分子开关。当该化合物在紫外光作用下，其中间部分因发生了闭环周环反应而具有顺磁性，即“开”状态；当该化合物在可见光的作用下，其中间部分发生开环周环反应，而具有逆磁性，即“关”状态。这种结构特性在信息存储和处理方面是具有很大吸引力的，适合做磁性介质存储设备。对磁性开关或面向其他磁体的绝大多数研究表明，这种分子开关的设计与分子的自旋成分与外围超分子体系对自旋改变条件的影响有关。磁性分子开关2.光控分子开关光控分子开关的基本要求是双稳态，即两个不同形式的分子通过外部光的刺激可以相互转换。可以看出，上例中的磁性分子开关亦可归入光控分子开关的范畴。除此之外，以下再简要介绍基于几种不同原理的光控分子开关。（1）基于光诱导分子构型变化机理的开关一些平面型的有机分子在吸收一定的光时，构型会发生改变。例如：配合物[{Ru(NH3)5}2(ｕ-cpi)]（cpi=1-（4-氰基苯基）咪唑）中的桥键配体——平面型的cpi吸收光后，两个环状结构（苯环和咪唑环）变为互相垂直，阻碍了分子内的电子的转移，因此通过桥键配体发生的Ru到Ru的电子转移可因一次很短的光照而中断，从而构成光控开关。荷兰格罗尼大学的研究人员则是利用不同波长的光来使分子的构型发生重排来达到开关的目的。但这种光致重排的反应机理目前尚在研究之中。迄今为止，设计得最巧妙的结构当属Slxl和Higelin所设计合成的N-邻羟亚苄基苯胺光控分子开关。N-邻羟亚苄基苯胺具有光致重排的性质。如果将多聚乙炔链（正在研究中的导电塑料）与N-邻羟亚苄基苯胺相连，不难看出，如下图左边，即当分子处于基态时，与邻羟亚苄基直接相连的多聚乙炔链的共轭体系为单键，双键相间的连续传导系统，即分子开关呈开启状态；而在下图右边，开关分子处于光致激发状态；多聚乙炔链的共轭体系发生间断，从而使传导功能终止。此时，分子开关呈关闭状态。这里所使用的“导线”和“开关”无疑使分子器件计算机的制造成为可能。（2）通过光激发分子或分子体系内电子转移导致材料的物理性能的变化与上述变化相比，这类开关并不通过分子构象的变化，因此响应时间更加快。而且没有构象变化就意味着单程转化且没有副反应发生，从而有很好的抗疲劳度和更多的循环次数。具体分子设计是选择光敏性染料作为电子给体或电子受体，按一定方向连接，就会形成光诱导电子转移系统，从而实现电信号的传递。这种设计结构与植物光合作用的电子传递链极其相似。但是在分子设计上存在着如何形成能满足工作条件的双稳态，如何使两种稳态的光学性质明显不同等问题。研究人员找到了给体光分子开关——苝四酰二亚胺，这个分子开关的速度是其他类型的分子开关的10-100倍，研究人员对它进行了8600万次的检验没发现它失灵。（见下图）另一组研究人员研究了如下图所示的化合物，在紫外光(UVultraviolet)作用下脱去CN负离子，同时结构发生变化（形成了碳正离子，键角被拉大），从而带动两个配合体，使二者之间距离增大并释放金属离子，而当紫外光照射停止时，CN负离子又与碳正离子结合，可以使夹心化合物又夹住金属离子，从而实现光开关的功能。3.电控分子开关美国Gokel教授研究了氧化还原反应型电控开关。如蒽醌套索醚电控开关（如下图），它通过电化学还原使冠醚“胳膊”阴离子化，从而加强对阳离子的束缚力，达到关的作用，再借氧化作用使其恢复到开启状态，使阳离子顺利流动。此外，雷恩等研究人员研究出的一种分子能以三种状态存在（见下图），第一种是无色的开状态（左）；第二种是深蓝色的关状态（中）。第一和第二种结构均属双酚类物质，其变化的核心在于分子中部的一个环状结构。强紫外光照射可以使环闭合，使状态一变为状态二，而蓝色可见光可以逆转这个过程；另外，处于关状态的双酚还可通过加735毫伏电压转化成紫色的醌（右），这时分子不受光的影响，但加180毫伏反向电压可以使分子回到第二种状态。这表明此分子可以通过光电两种方式进行转换，表明可以用两种形式来储存信息。无色的开状态深蓝色的关状态紫色的醌此类多稳态分子的研究可能引起计算机科学的重大革命，因为此时一个存储单元不仅只占一个分子大小，而且其存储的状态不再是2而是3甚至更多，从而大大提高了存储效率。此外由于其三种颜色不同，很容易由光学仪器读出，因此具有很好的应用前景。研究发现分子开关控制果蝇交配一个分子开关使得雌果蝇拒绝交配，转而专心产卵生物分子开关在13000次雌果蝇测试中，有一种基因正是科学家想要的。研究人员利用抗体来追踪目标基因——Dickson将其称为SP受体(SPR)——的位置。这种基因激活了雌果蝇的精子储存器官和神经系统。特别需要指出的是，SPR大量聚集在与性行为有关的神经细胞中。SPR同时也存在于雄果蝇的神经系统中，但科学家还不清楚它对于雄性有什么意义。尽管已经有过交配和产卵的经历，通过抑制大脑细胞中SPR的形成，这些雌果蝇的行为好像是一只从未交配过的昆虫。研究小组将在本周出版的《自然》杂志上报告这一研究成果。研究人员指出，如果能够找到一种抑制蚊子的SPR的药物，将为疟疾的防治开辟新的道路——使用这种药物后，由于从产卵演变为无休止的交配，蚊子的种群数量将直线下降。瑞士苏黎世大学的生物学家EricKubli认为：“这是一项重大突破。”Kubli指出，尽管蚊子是否与果蝇具有类似的性行为开关尚未确定，但是蚊子具有一种序列与SPR非常接近的基因。他说，这将是科学家下一步的研究重点。

科学家发现慢性疼痛的“分子开关”美国科学家最新研究发现,神经细胞中的一种蛋白分子能够控制是否会发生慢性疼痛,相当于一个“分子开关”。这一发现将有助于研制治疗慢性疼痛的相关药物。哥伦比亚大学医学中心研究人员在最新一期美国《神经科学》杂志电子版上报告说,神经细胞中的蛋白激酶G(PKG)就像慢性疼痛的“开关”,当人体受到损伤或产生炎症时,蛋白激酶G开启。这个开关一旦被激活,它会引发体内其他反应,不断发出疼痛信号并将信号传送至大脑。只要蛋白激酶G处于“开”的状态,疼痛就会一直持续。“关掉”蛋白激酶G,疼痛就会消除。慢性疼痛是一种常见病症,仅美国就有4800万人饱受慢性疼痛折磨。目前尚没有治疗慢性疼痛的特效药物,一些缓解疼痛的药物则存在各种各样的副作用。普林斯顿大学科学家列尔·温伯格(音)和托马斯·申克(音)对启动病毒自我繁殖的生化信号进行了研究。

艾滋病毒中Tat蛋白在启动病毒自我繁殖的过程中具有重要作用。生化学家成功确定了病毒基因组中负责生成这种蛋白的基因片段。负责启动病毒繁殖过程的另外一部分是酶p300。这是由T淋巴细胞合成的。当这种酶与Tat蛋白结合在一起时，启动艾滋病毒自我复制的生化信息就形成了。但在淋巴细胞中有一种酶能够抑制Tat蛋白的合成。科学家发现负责艾滋病毒繁殖分子开关这种酶叫作SirT1。相应的，这种p300和SirT1之间的平衡可以被认为是负责艾滋病毒繁殖的分子开关。科学家特别指出，目前还不能过早的高兴，首先，因为科学家们确定的还不是病毒繁殖过程的所有参与者；其次，他们的研究还是纯粹的基础性研究。但是，这项研究可以成为艾滋病治疗的基础。科学家发现负责艾滋病毒繁殖分子开关

分子存储器是指用来存储信息的量子化体系。分子水平上的存储是通过具有双稳态或多稳态特性的分子材料实现的。在一定电场的作用下，这种材料可从原来的绝缘态直接跃迁为导电态，相当于计算机存储器中的“0”“1”两种状态；用来“写入”信息的工具就是电场。目前发现的分子存储器的机制有：分子内或分子间的氢转移，二聚化反应，顺-反异构，电荷转移，苯-醌转变。研究分子存储器的目的是在很小的面积上采用各种加工方法制作高密度的存储器。分子存储器即使当今存储密度最高的硬盘，要想保存一比特的信息也需要大约100万个磁性原子，而位于加州圣何塞的IBMAlmaden研究中心已经成功地在一个单独的原子上保存了一比特信息。IBM苏黎世研究实验室则拿出了分子开关，有望取代当今的硅芯片技术制造超微型的处理器，一台超级计算机的体积也许只会相当于一粒尘埃。IBM称，单原子存储技术实用后可以得到超高密度的存储设备，至少相当于目前硬盘的1000倍，可以在一部iPod的体积内存储3万部全尺寸电影。IBM展示单原子存储、分子开关IBMAlmaden研究中心扫描隧道显微镜实验室主管AndreasHeinrich介绍说：“我们已经可以测量出单个磁原子具有同样的(磁各向异性)属性，然后让另一个原子靠近它，看看对(第一个原子的)磁各向异性有何影响，由此开发出一种具备超高存储密度的新型材料。”IBM将在室温条件下测量不同类型原子的磁各向异性，以求获得一种稳定的高密度存储材料，用于生产商用硬盘产品。IBM科学家CyrusHirjibehedin表示：“我们的下一步行动就是研究如何让一种特定的磁原子固定在特定的表面上，使之有能力维持磁性取向，并且能够在不同状态之间转换，然后我们就能使之飞快旋转。我们希望能在未来几年内展示这种稳定的媒介材料。”分子开关技术方面，Heinrich表示：“自从发明半导体技术以来，我们一直依赖缩小它们的尺寸来改善性能，但电子的波长是10纳米左右，所以半导体工艺的改进是有极限的，不可能达到单个原子的层次。如果你想在原子层