本發(fā)明屬于分子電子學(xué)，尤其涉及一種電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)。

背景技術(shù)：

1、隨著硅基電子器件微型化接近物理極限，其性能無(wú)法滿足人類日益增長(zhǎng)的信息處理需求，亟需尋求新原理器件和新材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅基器件。單分子開(kāi)關(guān)作為邏輯和存儲(chǔ)電路的基本元件，可以通過(guò)改變分子電導(dǎo)和邏輯電路內(nèi)的信號(hào)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)字信息。分子開(kāi)關(guān)需要通過(guò)至少兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能，這就需要設(shè)計(jì)各種具有雙穩(wěn)態(tài)和多穩(wěn)態(tài)的復(fù)雜分子，并通過(guò)外部刺激如電場(chǎng)、光照、ph值和機(jī)械力等來(lái)改變分子構(gòu)象或者自旋/氧化還原狀態(tài)。在此情況下，如何在相同分子骨架中高效的調(diào)控分子電子傳輸效率成為了分子開(kāi)關(guān)應(yīng)用于邏輯電路中的關(guān)鍵問(wèn)題。

2、團(tuán)簇介于單個(gè)分子和塊狀材料之間，表現(xiàn)出中間特性，具有獨(dú)特的量子效應(yīng)，豐富的電學(xué)性質(zhì)以及奇特的光學(xué)、磁學(xué)和催化性質(zhì)，對(duì)設(shè)計(jì)超大規(guī)模集成電路具有重要意義。近年來(lái)，團(tuán)簇在潛在電子應(yīng)用方面的研究取得了一些進(jìn)展，如單團(tuán)簇開(kāi)關(guān)、單團(tuán)簇晶體管和場(chǎng)效應(yīng)等。然而通過(guò)弱相互作用控制團(tuán)簇電子給體和受體之間的相互作用使得電導(dǎo)可逆切換，實(shí)現(xiàn)分子開(kāi)關(guān)功能還鮮有報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)，所述單硼簇分子開(kāi)關(guān)是由金屬基底-路易斯堿-金屬針尖形成的單分子結(jié)；

4、通過(guò)改變含有路易斯酸的電解質(zhì)溶液的電極電位，調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)的相互作用，實(shí)現(xiàn)單分子開(kāi)關(guān)。

5、本發(fā)明通過(guò)改變電極電位，單分子結(jié)中的路易斯堿與電解質(zhì)溶液中的路易斯酸會(huì)形成受阻路易斯酸堿對(duì)，實(shí)現(xiàn)單分子電導(dǎo)的可逆調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單分子開(kāi)關(guān)功能。

6、優(yōu)選的，所述路易斯堿為硼簇陰離子b10h82-。

7、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述路易斯堿的結(jié)構(gòu)為：

8、

9、優(yōu)選的，所述路易斯酸為有機(jī)銨陽(yáng)離子[nr4]+，r＝-ch3或-c2h5。

10、本發(fā)明中的有機(jī)銨陽(yáng)離子能夠與硼簇陰離子發(fā)生相互作用，形成受阻路易斯酸堿對(duì)，顯著改變硼簇陰離子的電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)分子電子傳輸，實(shí)現(xiàn)單硼簇分子開(kāi)關(guān)連續(xù)的關(guān)和開(kāi)功能，同時(shí)也作為支持電解質(zhì)。

11、優(yōu)選的，所述電極電位為相對(duì)于pt參比電極的-0.2v和0.3v。

12、電極電位為-0.2v時(shí)，路易斯酸與路易斯堿還未相互作用，即有機(jī)銨陽(yáng)離子與硼簇陰離子還未發(fā)生絡(luò)合，形成金屬基底-硼簇陰離子-金屬針尖單分子結(jié)，一維電導(dǎo)直方圖中顯示為低電導(dǎo)態(tài)，對(duì)應(yīng)于單分子開(kāi)關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)；而在電極電位升高為0.3v時(shí)，有機(jī)銨陽(yáng)離子會(huì)與硼簇陰離子發(fā)生相互作用，形成受阻路易斯酸堿對(duì)，并形成金屬基底-受阻路易斯酸堿對(duì)-金屬針尖單分子結(jié)，顯著改變了硼簇陰離子的電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)分子電子傳輸，一維電導(dǎo)直方圖中表現(xiàn)為高電導(dǎo)態(tài)，對(duì)應(yīng)于單分子開(kāi)關(guān)的“開(kāi)”狀態(tài)。通過(guò)在兩個(gè)電位之間進(jìn)行循環(huán)切換，即可實(shí)現(xiàn)單硼簇分子開(kāi)關(guān)連續(xù)的“關(guān)”和“開(kāi)”功能。

13、優(yōu)選的，所述含有路易斯酸的電解質(zhì)溶液為含50mmol/l有機(jī)銨陽(yáng)離子的碳酸丙烯酯溶液。

14、優(yōu)選的，所述金屬基底和金屬針尖的材質(zhì)均為金。

15、優(yōu)選的，所述金屬基底為長(zhǎng)×寬＝10×15mm、厚度為0.5mm的金片。

16、優(yōu)選的，所述金屬針尖為φ＝0.25mm、長(zhǎng)度為1.5cm的金絲。

17、本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述的電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)的制備方法，包括以下步驟：采用電化學(xué)掃描隧道顯微鏡裂結(jié)技術(shù)，在含路易斯堿和路易斯酸的電解質(zhì)溶液中，通過(guò)壓電陶瓷改變針尖和基底的距離，得到所述電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)。

18、優(yōu)選的，所述電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)的制備方法具體為：將裝有金屬基底的電解池放入掃描隧道顯微鏡中，向電解池中添加200μl含路易斯堿和路易斯酸的電解質(zhì)溶液，設(shè)置偏壓為100mv；通過(guò)壓電陶瓷控制金屬針尖不斷靠近金屬基底并接觸，當(dāng)檢測(cè)到電流達(dá)到50na后，控制金屬針尖繼續(xù)向金屬基底方向前伸1.2nm，然后再控制金屬針尖以20nm/s的恒定速度遠(yuǎn)離金屬基底，形成金屬基底-路易斯堿-金屬針尖單分子結(jié)。

19、本發(fā)明具體流程為：

20、(1)通過(guò)掃描隧道顯微鏡的壓電陶瓷控制針尖運(yùn)動(dòng)，使其不斷逼近金屬基底。當(dāng)電流達(dá)到預(yù)設(shè)值50na后，控制針尖再往金屬基底方向前伸1.2nm以確保針尖和基底接觸，壓電陶瓷控制針尖以恒定的速度遠(yuǎn)離基底，在遠(yuǎn)離的過(guò)程中，針尖先與金屬基底形成原子接觸。隨著針尖與基底之間的距離繼續(xù)增大，溶液中帶有與金錨定的分子大量地連接在電極兩端，隨著針尖的進(jìn)一步遠(yuǎn)離，連接在電極兩端的分子斷開(kāi)，最終形成針尖-單分子-金屬基底的連接。在此過(guò)程中，通過(guò)記錄電流隨時(shí)間或者距離的變化，重復(fù)操作獲得大量分子電導(dǎo)數(shù)據(jù)，最后對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及處理獲得一維電導(dǎo)圖，進(jìn)而獲得單分子電導(dǎo)；通過(guò)改變電極電位，獲取單硼簇分子的電導(dǎo)變化，得到單硼簇分子連續(xù)變化的電極電位下的最低電導(dǎo)和最高電導(dǎo)。

21、(2)在得到相應(yīng)電導(dǎo)值后，控制電位在最低電導(dǎo)和最高電導(dǎo)之間掃描獲得相應(yīng)的電流值，當(dāng)單硼簇分子對(duì)應(yīng)于最高電流或電導(dǎo)值時(shí)，單硼簇分子開(kāi)關(guān)處于“開(kāi)”的狀態(tài)；當(dāng)單硼簇分子對(duì)應(yīng)于最低電流或電導(dǎo)值時(shí)，單硼簇分子開(kāi)關(guān)處于“關(guān)”的狀態(tài)；在-0.2v到0.3v電位變化即為單硼簇分子開(kāi)關(guān)由關(guān)到開(kāi)的過(guò)程。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

23、本發(fā)明提供了一種基于電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)，單硼簇分子開(kāi)關(guān)是由金屬基底-路易斯堿-金屬針尖形成的單分子結(jié)，單分子結(jié)中的路易斯堿可以與電解質(zhì)溶液中路易斯酸在電化學(xué)調(diào)控下形成受阻路易斯酸堿對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)單硼簇分子結(jié)電導(dǎo)由低導(dǎo)電態(tài)轉(zhuǎn)變成高導(dǎo)電態(tài)，即實(shí)現(xiàn)分子開(kāi)關(guān)的功能。

24、本發(fā)明利用電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的原理，設(shè)計(jì)了基于硼簇分子的單分子開(kāi)關(guān)，為高性能納米電子器件的設(shè)計(jì)提供了一種新方法。

技術(shù)特征：

1.一種電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述單硼簇分子開(kāi)關(guān)是由金屬基底-路易斯堿-金屬針尖形成的單分子結(jié)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述路易斯堿為硼簇陰離子b10h82-。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述路易斯酸為有機(jī)銨陽(yáng)離子[nr4]+，r＝-ch3或-c2h5。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述電極電位為相對(duì)于pt參比電極的-0.2v和0.3v。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述含有路易斯酸的電解質(zhì)溶液為含50mmol/l有機(jī)銨陽(yáng)離子的碳酸丙烯酯溶液。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述金屬基底和金屬針尖的材質(zhì)均為金。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述金屬基底為長(zhǎng)×寬＝10×15mm、厚度為0.5mm的金片。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述金屬針尖為φ＝0.25mm、長(zhǎng)度為1.5cm的金絲。

9.權(quán)利要求1～8任一項(xiàng)所述的電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：采用電化學(xué)掃描隧道顯微鏡裂結(jié)技術(shù)，在含路易斯堿和路易斯酸的電解質(zhì)溶液中，通過(guò)壓電陶瓷改變針尖和基底的距離，得到所述電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)的制備方法具體為：將裝有金屬基底的電解池放入掃描隧道顯微鏡中，向電解池中添加200μl含路易斯堿和路易斯酸的電解質(zhì)溶液，設(shè)置偏壓為100mv；通過(guò)壓電陶瓷控制金屬針尖不斷靠近金屬基底并接觸，當(dāng)檢測(cè)到電流達(dá)到50na后，控制金屬針尖繼續(xù)向金屬基底方向前伸1.2nm，然后再控制金屬針尖以20nm/s的恒定速度遠(yuǎn)離金屬基底，形成金屬基底-路易斯堿-金屬針尖單分子結(jié)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)，屬于分子電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供的電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的單硼簇分子開(kāi)關(guān)是由金屬基底?路易斯堿?金屬針尖形成的單分子結(jié)；通過(guò)改變含有路易斯酸的電解質(zhì)溶液的電極電位，調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)的相互作用，實(shí)現(xiàn)單分子開(kāi)關(guān)。單分子結(jié)中的路易斯堿可以與電解質(zhì)溶液中路易斯酸在電化學(xué)調(diào)控下形成受阻路易斯酸堿對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)單硼簇分子結(jié)電導(dǎo)由低導(dǎo)電態(tài)轉(zhuǎn)變成高導(dǎo)電態(tài)，即實(shí)現(xiàn)分子開(kāi)關(guān)功能。本發(fā)明利用電化學(xué)調(diào)控受阻路易斯酸堿對(duì)作用的原理，設(shè)計(jì)了基于硼簇分子的單分子開(kāi)關(guān)，為高性能納米電子器件的設(shè)計(jì)提供了一種新方法。

技術(shù)研發(fā)人員：王亞浩,周小順,萬(wàn)強(qiáng),郭紅洋,鄭菊芳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江師范大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9