金属纳米颗粒电子学器件及其多功能化研究

The multi-functionalization of electronic components is crucial for the development of applied electronics. Non-silicon materials, for example, metallic nanoparticle is one of the most promising alternatives because its’ exceptional optical, catalytic properties, and flexibility in ligands selection. However, due to their room temperature electrical behavior, constructing the non-Coulomb blockade effect metallic nanoparticle electronic components (e.g. transistor, diode) is still a great challenge. In this project, start with investigating electrode materials and structures, high-performance electronic components such as transistor, diode, and resistor were fabricated. The behavior of mobile counter ions and electrons were then systematically studied. Together with theoretical modeling, we proposed the mechanisms for these electronic components. At the same time, we developed an efficient protocol for integrating electrodes on a single substrate. Nanoparticles were then printed to their corresponding electrode to get a correct output. At last, high-performance nanoparticle sensors were constructed, and integrated with diodes, transistors to realize an effective signal detection.

电子元器件的多功能化是应用电子技术发展的重要趋势。非硅基材料，例如拥有优异的光学、催化特性、以及配体分子的选择灵活性的金属纳米颗粒是构建多功能化的电子元器件最诱人的一种材料。然而局限于室温下的电学性质，采用金属纳米颗粒构建基于非“库仑阻塞”效应的电子元器件（例如晶体管、二极管等）仍然极具挑战。本项目拟从电子元器件的电极材料与结构入手，构建高性能的金纳米颗粒晶体管、二极管、以及电阻；并系统地研究金纳米颗粒薄膜中可迁移的对离子、电子的行为，将实验与理论模拟相结合，探索电子元器件的工作机理，从而进一步优化其性能。同时建立电极集成的有效方法，将所有器件的电极集成在单一基底上，实现各种金纳米颗粒在特定电极处的打印沉积，并实现芯片的正常输出。最后制备出性能优异的金纳米颗粒传感器件，并与二极管、晶体管等电子元器件集成，实现被检测信息的有效输出。

电子元器件的多功能化是应用电子技术发展的重要趋势，因而非硅基材料越来越受到研究人员的重视。其中，由于小尺寸效应其性质有别于本体材料的纳米颗粒是一个最典型的研究对象。金属纳米颗粒由于其优异的光学和催化等特性在等离激子学与能量转换等方面取得了巨大的进展。然而，受限于室温下的电学性质，采用金属纳米颗粒构建电子元器件仍然极具挑战。针对这一挑战，我们从传统的半导体pn结中得到启发，采用带电的配体分子修饰的金纳米颗粒，实现了金属纳米颗粒双层结构二极管的构筑。两层纳米颗粒薄膜中可迁移的对离子在熵驱动下相互扩散，在界面处建立内建电场，调控电子的不对称输运。同时，将金纳米颗粒制备成各种传感器件并与电子器件集成，实现了环境变化信号的采集、处理及报告。进一步地，我们将将类似的设计理念推广到无能隙的石墨烯材料，实现了全碳材料pn二极管的构筑。更进一步地，我们直接将带正、负电荷的配体分子面对面靠近以构筑双分子层二极管。该双分子层二极管的整流比可达1000，并且在大于10000连续电压下未见性能衰减。另外，通过器件结构的创新，我们实现了金属纳米颗粒单层结构二极管的构筑。通过不对称电极特征电容值的差别，创造偏压下的非对称电荷分布，从而实现整流效应，整流比达50左右。同时，我们设计并构筑了基于单层金纳米颗粒薄膜的五电极晶体管。以碳材料组成的门电极可以有效地调控纳米颗粒薄膜中的非平衡态的电荷浓度梯度分布，实现源漏电极之间输出的电压调制。该晶体管的开关比可达400左右，可以抵抗高电压静电损伤，可以集成实现全金属纳米颗粒半加器的逻辑输出。这些工作为理解离子与电子电荷耦合输运基本规律奠定了基础，为新原理电子器件的设计开发以及电子器件的功能化提供了一些思路，也丰富了电子器件材料的可选性。