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    器件微小化有利于實(shí)現(xiàn)無缺陷、高性能器件的制備，并最終得到單分子或原子器件，這就需要發(fā)展新的材料和方法來構(gòu)建器件。碳納米管和石墨烯由于其獨(dú)特的低維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光電性能，以及其與有機(jī)分子材料相似的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)，可以作為較好的電極材料構(gòu)建微小化的分子電子器件。郭雪峰研究小組近期在微小化有機(jī)場效應(yīng)晶體管研究方面取得系列進(jìn)展(Adv. Mater. 2010, 22, 20-32)。

    利用精細(xì)的電子束刻蝕和精確的氧化切割技術(shù)，可以在單壁碳納米管上準(zhǔn)確地切開一個(gè)納米級間隙，得到碳納米管分子點(diǎn)電極，從而構(gòu)建功能單分子器件（Acc. Chem. Res. 2008, 41, 1731；Chem. Asian J. 2010, 5, 1040）。在前期工作的基礎(chǔ)上，他們與哥倫比亞大學(xué)Colin Nuckolls教授保持合作，選擇液晶HBC分子，構(gòu)建了單根納米柱有機(jī)晶體管器件，實(shí)現(xiàn)了納米尺度光響應(yīng)性質(zhì)（圖1）（Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009, 106, 691-696）。通過用HSQ樹脂保護(hù)電極或加入微小液滴（直徑約為10μm）的方法確保器件電荷傳輸是通過碳納米管和分子的異質(zhì)結(jié)，排除了金屬電極的影響。由于分子材料具有液晶性質(zhì)，經(jīng)過退火處理，器件場效應(yīng)晶體管性質(zhì)得到顯著提高。另外，這種以碳納米管作為點(diǎn)電極的柱狀晶體管表現(xiàn)出了良好的光電響應(yīng)，在超高靈敏的傳感器件和太陽能電池方面有很好的應(yīng)用前景。

圖 1. 基于碳納米管點(diǎn)電極的柱狀納米晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

    利用相同的電子束刻蝕和氧化切割的技術(shù)，可以將石墨烯切為二維電極來制備納米尺度的有機(jī)場效應(yīng)晶體管。在納米化學(xué)研究中心，他們與劉忠范教授合作，首先證明(Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2743-2748)，石墨烯電極可以與有機(jī)分子發(fā)生強(qiáng)相互作用，形成良好的接觸界面，從而減小接觸肖特基勢壘，得到了性能優(yōu)越的有機(jī)薄膜場效應(yīng)晶體管器件。為進(jìn)一步提高器件的綜合性能，需要統(tǒng)籌考慮器件結(jié)構(gòu)，接觸界面，以及有機(jī)材料的組裝等多個(gè)問題。最近，他們與納米化學(xué)中心劉忠范教授和化學(xué)所朱道本先生合作，通過引入LB成膜技術(shù)，將自上而下的器件加工手段和自下而上的化學(xué)組裝方法巧妙結(jié)合，構(gòu)建了銅酞菁LB單分子膜的有機(jī)場效應(yīng)晶體管(Angew. Chem. Int. Ed. 2010, anie.201001683, online)。該類器件產(chǎn)率高，性能好（有較高的遷移率和開關(guān)比），同時(shí)表現(xiàn)出超靈敏的光電響應(yīng)。這是單分子膜晶體管器件光電轉(zhuǎn)換的首次報(bào)道。該組合方法為環(huán)境傳感和光檢測器等器件研究以及發(fā)展納米尺度分子電子器件提供了新的思路。

圖 2. 基于石墨烯電極的單分子膜場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖