《基於石墨烯納米電極的分子器件：設計、構築和套用》，是北京大學，2012年曹陽的博士畢業論文，指導導師為郭雪峰教授。該論文提出了一種利用性能優異的二維石墨烯構築納米電極的新方法，以此為平台開展了一系列分子異質結和微小化有機場效應電晶體(OFETs)的構築和研究工作。
基本介紹
- 中文名：基於石墨烯納米電極的分子器件：設計、構築和套用
- 研究方向：分子尺度本徵物理現象
- 目的：等比例縮小，最佳化性能，降低能耗
- 類型：有機場效應電晶體
中文摘要,研究方向,
中文摘要
以單個或若干分子聚集體為主體的分子器件不僅有利於實現器件的微小化和高度集成，而且還可以作為研究分子尺度本徵物理現象和量子效應的理想體系。豐富的分子材料和靈活的化學設計、合成、自組裝方法再結合微納加工和測試手段，為分子器件提供了更大的發展空間和套用前景。而如何有效地構築高性能、微小化和功能化的分子器件是該領域發展面臨的首要問題。針對該問題，本論文提出並發展了一種利用性能優異的二維石墨烯構築納米電極的新方法，以此為平台開展了一系列分子異質結和微小化有機場效應電晶體(OFETs)的構築和研究工作。利用石墨烯自身的結構、性質優勢及其與分子材料的有效結合，...>> 詳細
以單個或若干分子聚集體為主體的分子器件不僅有利於實現器件的微小化和高度集成，而且還可以作為研究分子尺度本徵物理現象和量子效應的理想體系。豐富的分子材料和靈活的化學設計、合成、自組裝方法再結合微納加工和測試手段，為分子器件提供了更大的發展空間和套用前景。而如何有效地構築高性能、微小化和功能化的分子器件是該領域發展面臨的首要問題。針對該問題，本論文提出並發展了一種利用性能優異的二維石墨烯構築納米電極的新方法，以此為平台開展了一系列分子異質結和微小化有機場效應電晶體(OFETs)的構築和研究工作。利用石墨烯自身的結構、性質優勢及其與分子材料的有效結合，通過器件結構和構築方法的設計，將構築基於石墨烯納米電極的分子器件發展成為一種普適性的方法，用於研究分子材料電荷輸運性質與分子結構、組裝方式的關係，實現了器件製備成功率的提高、性能的最佳化、微小化和多種功能化的協同發展等等。
研究方向
主要研究工作分為以下三個方面：
1.針對分子異質結中分子與電極之間的非歐姆接觸問題，為了進一步提高分子異質結的製備成功率，這裡提出了基於鋸齒形石墨烯納米電極陣列構築新型分子異質結的方法。通過特殊設計的虛線刻蝕過程在二維單層的石墨烯上引入一系列分子尺度的納米間隙陣列，作為納米電極.將不同的有機共軛分子通過牢固的醯胺共價鍵與石墨烯納米電極連線，構築分子異質結，並將基於納米電極的分子異質結製備成功率顯著提高至50%。在此基礎上，將該方法發展成為一種可以通過引入不同功能分子構築功能化分子異質結的普適性方法，包括光和pH回響的多功能分子開關，並實現了分子異質結的原位合成。無論對於基礎科學研究還是套用需求，該方法為研究分子自身電學性質以及構築多功能的分子器件積體電路都提供了新的方法和思路。
2.將有機場效應電晶體(OFETs)的尺寸縮小至納米尺度可以實現新的無缺陷電荷傳輸機制，有利於器件性能的提高。為了克服OFETs微小化過程中面臨的困難和挑戰，提出了一種具有普適性的“統籌法”構築OFETs器件的指導思想。將導電率高，與有機分子有強相互作用並接觸良好的石墨烯氧化切割製備成二維納米電極。首先發展了基於石墨烯納米電極構築光回響的納米OFETs的普適性方法，器件表現出與巨觀電晶體相似的優異性能。由於採用光敏感的有機半導體材料，器件表現出良好的光回響性質。該工作證明了石墨烯納米電極套用於微小化OFETs的有效性和優越性，為構建新型超靈敏的分子器件的研究奠定了基礎。
進一步的，在“統籌法”思想指導下，將分子有序堆積的CuPc LB單分子膜與石墨烯納米電極有效結合，構築了單分子膜電晶體器件。利用石墨烯電極以及LB膜兩者的優勢，器件性能得到顯著提升，表現為好的遷移率，高的開關比和接近100%的器件製備成功率和重現性。更為重要的是，器件表現出了通常在單分子膜中難以實現的光電回響，光回響度可達7.10×10-5AW-1，對研究分子材料的光電性能和構建高回響度的可調光檢測器都極具意義。這種將自下而上的自組裝方法與自上而下的微納加工手段相結合構建功能化分子器件的方法希望能對分子器件的發展和套用做出貢獻。
3.為進一步實現分子器件在水平和垂直方向的等比例縮小，最佳化性能，降低能耗，構建低壓工作的電晶體器件，並克服之前工作中分子異質結在分子輸運性質研究方面遇到的困難和微小化OFETs的短溝道效應，本論文分別通過物理沉積法、圖案化局域介電層法和溶膠凝膠液態法，採用多種無機金屬氧化物高k材料，製備超薄的高k介電層。三種方法均可以構築低漏電密度的整體或圖案化的高k介電層石墨烯電晶體器件和石墨烯納米電極。其中通過溶膠凝膠液態法製備的氧化鉿高k介電層，可用於構築基於石墨烯納米電極的高k介電層OFETs，得到的器件可以實現低壓工作並明顯改善了之前的短溝道效應。這部分工作為後續實現基於石墨烯納米電極的分子器件器件能耗的降低，速度的提升，性能的最佳化以及對分子電學輸運性質和新奇物理效應的測試和研究奠定了基礎。
1.針對分子異質結中分子與電極之間的非歐姆接觸問題，為了進一步提高分子異質結的製備成功率，這裡提出了基於鋸齒形石墨烯納米電極陣列構築新型分子異質結的方法。通過特殊設計的虛線刻蝕過程在二維單層的石墨烯上引入一系列分子尺度的納米間隙陣列，作為納米電極.將不同的有機共軛分子通過牢固的醯胺共價鍵與石墨烯納米電極連線，構築分子異質結，並將基於納米電極的分子異質結製備成功率顯著提高至50%。在此基礎上，將該方法發展成為一種可以通過引入不同功能分子構築功能化分子異質結的普適性方法，包括光和pH回響的多功能分子開關，並實現了分子異質結的原位合成。無論對於基礎科學研究還是套用需求，該方法為研究分子自身電學性質以及構築多功能的分子器件積體電路都提供了新的方法和思路。
2.將有機場效應電晶體(OFETs)的尺寸縮小至納米尺度可以實現新的無缺陷電荷傳輸機制，有利於器件性能的提高。為了克服OFETs微小化過程中面臨的困難和挑戰，提出了一種具有普適性的“統籌法”構築OFETs器件的指導思想。將導電率高，與有機分子有強相互作用並接觸良好的石墨烯氧化切割製備成二維納米電極。首先發展了基於石墨烯納米電極構築光回響的納米OFETs的普適性方法，器件表現出與巨觀電晶體相似的優異性能。由於採用光敏感的有機半導體材料，器件表現出良好的光回響性質。該工作證明了石墨烯納米電極套用於微小化OFETs的有效性和優越性，為構建新型超靈敏的分子器件的研究奠定了基礎。
進一步的，在“統籌法”思想指導下，將分子有序堆積的CuPc LB單分子膜與石墨烯納米電極有效結合，構築了單分子膜電晶體器件。利用石墨烯電極以及LB膜兩者的優勢，器件性能得到顯著提升，表現為好的遷移率，高的開關比和接近100%的器件製備成功率和重現性。更為重要的是，器件表現出了通常在單分子膜中難以實現的光電回響，光回響度可達7.10×10-5AW-1，對研究分子材料的光電性能和構建高回響度的可調光檢測器都極具意義。這種將自下而上的自組裝方法與自上而下的微納加工手段相結合構建功能化分子器件的方法希望能對分子器件的發展和套用做出貢獻。
3.為進一步實現分子器件在水平和垂直方向的等比例縮小，最佳化性能，降低能耗，構建低壓工作的電晶體器件，並克服之前工作中分子異質結在分子輸運性質研究方面遇到的困難和微小化OFETs的短溝道效應，本論文分別通過物理沉積法、圖案化局域介電層法和溶膠凝膠液態法，採用多種無機金屬氧化物高k材料，製備超薄的高k介電層。三種方法均可以構築低漏電密度的整體或圖案化的高k介電層石墨烯電晶體器件和石墨烯納米電極。其中通過溶膠凝膠液態法製備的氧化鉿高k介電層，可用於構築基於石墨烯納米電極的高k介電層OFETs，得到的器件可以實現低壓工作並明顯改善了之前的短溝道效應。這部分工作為後續實現基於石墨烯納米電極的分子器件器件能耗的降低，速度的提升，性能的最佳化以及對分子電學輸運性質和新奇物理效應的測試和研究奠定了基礎。
