zxdai 2007-12-19 21:27
分子电子学研究
来源:Science
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科学家们正在研究如何利用单个分子来建造精密的电子设备，这相应地推动了对单分子校正（single-molecule rectification）、利用纳米管生产晶体管、利用少量分子生产负差电阻等技术的研究。分子电子学（the molecule electronics）研究人员所面对的基本问题就是如何对电子的传输进行测量和预测。分子电子学还需要可靠的分子线路来传输分子元器件之间的信号。
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在所有这些研究中，关键的一点就是如何测量单个分子的电传导性。为了做到这一点，必须把一个日常宏观世界中的电源以及一个电压表同单个分子的两端连结起来。这样一来，分子电子学主要研究的就是关于接触（contact）的问题。在理想条件下，这种接触符合欧姆定理；这样，导线的导电性如果存在非线性关系的话，那么就可以很快发现这种非线性产生的原因并对此进行研究。这种电接触的电阻必须很低，这样才能保证所测量到的电阻是那些分子的而不是同分子所接触的那个接触面的电阻。不但如此，包围着分子并对分子起支持作用的介质的绝缘性必须要比分子本身的绝缘性大几个数量级，因为那些起支持作用的接触区域同电接触（electrical contacts）之间的面积要比介于电接触和分子之间的区域大许多。
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以DNA为例，在对DNA的研究中发现，DNA可以是绝缘体、导体、半导体，在某种感应条件下也可以成为超导体。
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研究人员Dunlap使用了扫描隧道显微镜对所提取的DNA片断进行成像研究，DNA片断是固定在铂金/碳涂层的的表面，研究人员使用扫描隧道显微镜能够沿着缠绕着的λDNA观察到DNA的内部的图像。与此相对的是，没有包裹涂层的部分具有非常高的电阻，估计电阻值达到了100000欧姆-厘米，此时的DNA就是非常好的绝缘体。但是这个测量所研究的主要是金属和DNA之间的电流注入（current injection）和短轴传导性（short-axis conductivity），而不是通常所说的通过相邻基对电子（adjacent base pairs）中的π轨道所实现的长轴传导性（long-axis conductivity）。
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还有研究人员Porath研究了一根由铂金电极所虏获的、长10.4纳米、双绞的DNA低聚体（oligomer）。在研究过程中，观察到了低聚体宽大的能带隙（bandgap）所表现出来的类似于半导体的特性。还有一点很出乎研究人员的意料，那就是能带隙会随着温度的上升而不断扩宽。研究人员认为，在金属电极和DNA之间接触电阻的特性很难让人理解，这也说明在二者之间没有良好的金属接触。/A5r+G N#u!@r
研究人员Fink和Schoenenberger研究了一段由双绞的DNA分子所组成的绳状λDNA（λDNA ropes）。在把这些λDNA同尖锐的钨探针进行接触的过程中，对这些λDNA进行了成像。这些绳状DNA被悬在敷金的碳栅格（a gold-coated carbon grid）中的小孔中，使用能量较低的点电子发射源（a low-energy electron point source）对其进行了成像。然后用一根钨针接触这根绳状DNA，并且将其切断，这样就会从钨针经过绳状DNA最后到达敷金的栅格最终形成一个完整的传导路径。估计一个双股DNA的电阻率达到了100万欧姆-厘米。如此看来DNA是导体。很明显，研究人员在DNA和探针之间实现了良好的机械接触，但是对于二者之间是否存在良好的电接触就不得而知。这样说来，他们所测量到的电阻就是电阻系数的上限。他们通过保持绳状DNA在真空状态中来解决杂散并发电流的问题。
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还有研究人员Kasumov在不久之前研究了一段16微米长的绳状λDNA，这段λDNA被沿着铼/碳电极之间的一个宽为0.5微米的缝隙放入其中。这次的测量对象是一系列的分子（大约10个），而不是单个的分子。测量的结果显示，每个分子的电阻不超过10万欧姆，要比Fink和Schoenenberger所测量到的结果小一个数量级。Kassumov认为产生这个结果的原因是分子和电极之间接触比较良好，所以电阻系数也比较低。不但如此，Kasumov在对DNA进行观察的时候，每三个试验对象中就有两个在感应条件下会产生超导现象。
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在这些研究中的研究对象，主要还是两种物质在不同的接触条件下的情况，并不是分子导电性的问题。如果在金属和分子之间仅仅进行简单的物理连结，这样并不能保证良好的电接触。
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当使用扫描探针显微镜的时候，采取加大对接触点（contact）的推动力度的方法并不可取。一般地来讲，这样做会有三种情况发生：接触点下的分子发生移动；发生不可复原的变形；或者接触点下的分子由于受压而使电子结构（electronic structure）发生改变。在第一种情况下，针尖和分子仍然通过隧道屏蔽（tunnelling barrier）来发生相互反应，但是隧道屏蔽会发生变化，这种变化取决于在压力推动下分子中的中的哪一种功能群（functional group）距离针尖最近。这样一来，随着推动接触点的压力的增加，电流也会发生改变，但是电流的改变并不能代表分子的电传导性发生了变化。在第二种情况下，研究人员使用的是典型的大分子，具有另外一种结构，同第一次研究的对象不一样，所以研究得到的结果也是不同的。第三情况下就是众所周知的富勒材料。,W-] oNT n-g-^
很久以前人们就认识到，在分子和衬底之间实现良好的电接触需要使用到化学粘结剂，在把硫磺和硒粘附在金或银上面的时候就需要这么做。这种连接被有些人称为“分子弹簧夹”（molecular alligator clips）。在一个电极上可以很容易地实现这种技术，但是如果在两个或多个电极上使用这种技术的话就会非常困难。当带有凹口的金线在苯-1，4-硫酸（在两端都带有弹簧夹的小分子）溶液中断裂以后，只有在通过电流以后断头才可以重新连接起来。这个连接就是通过几个分子来实现的，而且这几个分子是通过化学方法连接到两个电极上的。当这个断裂连接几何（break junction geometry）在刚性分子上发生的时候，相当程度上是能够再生的；如果发生在较长的、柔性的物质上的时候就不再那么容易。不但如此，单个连接的分子所具有的高密度也会产生杂散并发电流（stray parallel currents）。/a:?DF@)T)u ?
研究人员Cui等介绍了一种能够使不同长度的有机分子产生良好电接触的简单方法。他们使用了硫醇基（thiol groups）来实现牢固的化学连接，这个化学连接把一个以金作为基座的电极和一个以金的纳米颗粒作顶端的电极给连接起来。这种连接是通过以金的颗粒作尖端的电极与敷金的原子力显微尖端（a gold-coated atomic force microscopy tip）二者之间所建立的物理连接来实现的。这样，在两个尖端上分子和金就构成了共价键。如果要绝缘掉流向单个分子的电流，那么只需要在单一功能的烷烃（monofunctionalized alkanes）溶液中对二硫代烷烃（the dithiol functionalized alkanes）进行稀释即可。这样，即便纳米颗粒要比分子的体积大许多，每个颗粒所实际连接的分子的数目会很小，每个颗粒最多会和一个分子连接。D#jb ggy4}h
这项研究工作有三点非常值得注意。第一点就是数据的统计显著性，以前所进行的研究都是对一些数据的重复使用，而Cui所进行的研究结论是基于超过4000次的独立测试所做出的。第二点是，计算的电流-电压曲线同试验数据相吻合，这要优于以前所有的研究工作，而且没有可调整的参数。第三点，这种方法还可以使用于对其它的纳米颗粒和其它的功能基的研究中。 Fs y/x$Qh5d4h*g
这是人们第一次使用可靠的、可再生的方法来研究分子接触界面（molecule-contact interface），如果分子电子学研究的内容都是接触的话，这些研究会给我们研究单分子设备（single-molecule devices）提供启迪.
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来源:Science，2001年10月19日，第294卷,第5542期，
nano-st 2007-12-19 22:53
[quote]研究人员Cui等介绍了一种能够使不同长度的有机分子产生良好电接触的简单方法。他们使用了硫醇基（thiol groups）来实现牢固的化学连接，这个化学连接把一个以金作为基座的电极和一个以金的纳米颗粒作顶端的电极给连接起来。这种连接是通过以金的颗粒作尖端的电极与敷金的原子力显微尖端（a gold-coated atomic force microscopy tip）二者之间所建立的物理连接来实现的。这样，在两个尖端上分子和金就构成了共价键。如果要绝缘掉流向单个分子的电流，那么只需要在单一功能的烷烃（monofunctionalized alkanes）溶液中对二硫代烷烃（the dithiol functionalized alkanes）进行稀释即可。这样，即便纳米颗粒要比分子的体积大许多，每个颗粒所实际连接的分子的数目会很小，每个颗粒最多会和一个分子连接。
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如果能够给出更详细的信息就更完美了。
nanost-admin 2007-12-20 08:30
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应该有了，补充上了，以后请注意帖子的完整性。