石墨烯用于構(gòu)筑分子結(jié)及其電導測量的研究.pdf

1、傳統(tǒng)電子器件由硅基半導體材料構(gòu)成，在降低尺寸規(guī)模上存在自身局限性，近年來分子電子學的提出在分子水平上替代傳統(tǒng)硅基半導體晶體管等固體電子學器件而引起了廣泛的關注。單個或少量有機分子成為分子器件的核心，組裝為微電子分子器件，如晶體管、整流器、分子開關以及負微分電阻等。作為電子器件的組裝材料，單分子的應用給新興的分子電子學領域帶來了希望。如何將分子穩(wěn)定牢靠的連接在電極兩端形成分子結(jié)是分子電子學的重要研究內(nèi)容之一。分子結(jié)電導受許多因素影響，如分

2、子特性、電極種類、分子與電極材料能級匹配、分子結(jié)所處環(huán)境等，過去由于缺乏相關測量技術(shù)，分子電學性質(zhì)的研究受到嚴重阻礙。隨著掃描探針技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，分子結(jié)的構(gòu)筑方法從最初的機械裂結(jié)法發(fā)展了多種基于掃描探針技術(shù)的方法，極大地擴展了分子電子學的研究范圍。在早期構(gòu)筑分子結(jié)的研究中，金屬材料作為電極成了研究者們的理想材料，利用有機分子末端的錨定官能團與金屬電極材料之間作用來橋連成分子結(jié)，如-HS，-COOH，-NH2,吡啶基等，尤其是以金電極與

3、巰基形成牢靠的共價鍵應用最為廣泛。但金電極價格昂貴，原子移動性高以及它與互補的金屬氧化物半導體（CMOS）技術(shù)的非兼容性等缺點嚴重制約其實際應用。此外，對于其他金屬電極，如Ag，Cu，Pd等，在測量分子電學性質(zhì)研究中也常見報道。到目前為止，對于非金屬電極用于分子結(jié)構(gòu)筑的研究并不多見，近些年出現(xiàn)了一些以碳系物質(zhì)作為電極材料進行相關研究的報道，如碳納米管、石墨烯。自2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不斷被挖掘。其可翹曲為零維富勒烯

4、，卷曲為一維納米管，堆垛成三維的石墨片，表現(xiàn)出了許多優(yōu)異的物理化學性質(zhì)，如高機械強度、載流子遷移率、良好熱導性以及量子霍爾效應等。
　　本研究以石墨烯作為基底電極與金探針構(gòu)筑羧基烷烴類分子結(jié)Graphene-HOOC(CH2)nCOOH-Au，基于STM I(s)技術(shù)，測量了系列分子電導值，其中HOOC(CH2)nCOOH（n=2,3,4,5,6）單分子結(jié)電導值分別為15.6、10.3、5.1、2.4、1.08 nS；通過對系列不

5、同鏈長的分子電導進行測量，發(fā)現(xiàn)此體系分子結(jié)間電荷輸運呈隧穿機理，其隧穿衰減常數(shù)βN=0.69；通過與其他不同金屬電極材料下單分子電導測量相比較發(fā)現(xiàn)，石墨烯作為一端電極，其隧道衰減系數(shù)0.69小于金屬電極Au、Ag，Pt，電導的差異反映出不同電極材料對分子結(jié)電導的影響。此外，通過密度泛函理論（DFT）分別模擬了丁二酸、己二酸、辛二酸在石墨烯-金電極和金-金電極形成分子結(jié)，并利用非平衡格林函數(shù)（NEGF）計算了兩種分子結(jié)的電輸運性質(zhì)，并考察

6、了石墨烯的缺陷對于分子結(jié)電導輸運性質(zhì)的影響。對于石墨烯-金電極，其費米能為EF的值為0.65 eV時，計算值與實驗測量值有一樣的隧道衰減常數(shù)0.69，而金-金電極在EF的值為-0.3 eV時，其隧道衰減常數(shù)為0.81。并且由于局部密度泛函近似高估了分子能級導致金-金電極各分子結(jié)電導計算值均大于相應石墨烯-金電極的分子結(jié)電導值。研究石墨烯完整性對分子結(jié)的影響時發(fā)現(xiàn)，當EF=0 eV時，無缺陷石墨烯-金電極各分子結(jié)電導遠大于有缺陷石墨烯-金