自组装单分子膜晶体管：功能分子设计与器件构筑新方法研究

A major goal of molecular electronics is to understand the functional properties of single molecules and their ensembles. Ultimately this will pave the way for electronic components and electrical circuits made of molecular building blocks. Research on self-assembled monolayers (SAMs) is a hot topic in the field of molecular electronics, because they have more stable chemical/physical properties than single molecules, and are more amenable to mass production and integration. However, from the perspective of both molecule design and device fabrication, so far it is still very challenging to study on molecular scale devices, especially field-effect transistors (FETs) based on SAMs, i.e., SAMFETs. Based on the applicant's previous work, this project will on one hand focus on the improvement of light/electrical field modulated SAM devices by rational design of functional molecules. On the other hand, more significantly, we will try to introduce a new device configuration for vertical tunneling transistors based on SAMs. This project is the extension, deepening and innovation of applicant's previous work, which will provide technical method and theoretical support for the development of new molecular devices, at the same time promote the practical process of molecular electronics.

分子电子学致力于有机分子材料的功能性研究，以单个分子、超分子或分子簇制备电子元器件，进一步“自下而上”组装实现逻辑电路的功能。自组装单分子膜体系由于性质稳定、适用于大面积集成等优点（相比较于单个分子），是分子电子学领域研究的热点，具备在分子尺度上制备场效应晶体管的潜力。目前，基于自组装单分子膜的晶体管器件研究进展缓慢，面临着分子设计和器件构筑两方面的巨大挑战。本项目在申请人前期工作的基础上，一方面从分子功能设计出发，优化光栅调控和电场调控的单分子膜晶体管器件的性能；另一方面，从器件制备的角度，探索“垂直结构单分子膜隧穿晶体管”这一全新的器件构型，力争实现新功能和新方法的突破。本项目是对申请人前期工作的拓展、深化和创新，项目的实施将为新型分子尺度器件的研发提供技术方案和理论支持，推动分子电子学领域研究的实用化进程。

本项目的研究目标是从分子设计和器件制备两方面协同入手构筑高性能有机薄膜场效应晶体管，尤其是新型自组装单分子膜晶体管。在本项目的资助下，科研工作依据研究计划顺利开展。项目负责人课题组以分子设计合成为基础，以器件制备为手段，以功能应用为导向，创新性地发展了一系列基于光电功能分子的平面结构和垂直结构薄膜器件，从微米尺度到单分子膜尺度系统而深入地探究了分子结构特性与电荷输运的关系规律，在此基础上实现对器件性能的有效调控，并探索其集成应用。主要研究成果概括如下：1）提出了高效制备共聚物介电层的新策略，通过表界面效应调控分子材料的堆积结构，实现了平面结构有机薄膜器件和准单层膜器件中高效的电荷输运，报道了高性能柔性电路的设计制备和超高性能小分子薄膜光晶体管；2）着眼于新型功能分子和锚定基团的设计合成，实现了自组装单分子膜体系中对个体分子间距的精准调控，系统研究了分子结输运机制，实现了高性能垂直自组装单分子膜晶体管，推动了分子尺度功能器件的实用化进程。上述两方面的研究工作紧密衔接、协同开展，有机薄膜晶体管的研究是自组装单分子膜器件的基础，而对分子器件的探索亦有助于深入理解薄膜晶体管中的电荷输运机制，因此项目研究保持了良好的系统性。.基于上述研究成果，项目负责人课题组发表标注本项目资助的高水平论文22篇，其中包括以通讯作者身份发表的J. Am. Chem. Soc. 1篇，Nat. Commun. 2篇，Angew. Chem. Int. Ed. 1篇，Adv. Mater. 1篇，Nano Today 1篇，Adv. Funct. Mater. 1篇。申请国内外发明专利4项，已获授权1项。培养博士毕业生1人，硕士毕业生5人。项目组成员参与国际/国内学术会议20余人次，作邀请/口头报告10余次。项目负责人获国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目支持。