基于分子构型调控的室温富勒烯分子器件的构筑及其机制研究

Molecular devices designed at a molecular level to efficiently perform certain function have attracted wide attentions due to the promotion of electronic devices miniaturization at the nanometer scale. Great efforts have been devoted to construct the prototypes of molecular devices such as switches, motors, data storage bits, magnets, and diodes. Rich intrinsic properties of organic molecule provide the possibility to build new types of device with novel function. In the viewpoint of molecular devices in realistic applications, molecular device is especially desirable to achieve at room temperature. In this project, we propose to use the intramolecular properties as information carrier to construct room-temperature molecular devices on an individual molecule with the assistance of scanning tunneling microscopy (STM). Fullerene adsorbed on Si(111) surface is chosen as the testbed since fullerene molecules have stable and distinct adsorption conformations at room temperature. Conformation of individual fullerene molecule will be manipulated by applying a bias between the STM tip and the molecule. The dependence of the manipulation probability on the bias, the current and the distance between the tip and the molecule will be deduced from a series of manipulation experiments to understand the mechanism of molecular movement. Metal clusters formed on the Si surface will be used to adjust the molecular conformation of fullerene molecules by attaching the clusters to the fullerene molecule. The influence of the type of metal, the attached site on the changes of the molecular conformation will be systematically investigated to understand the interaction between the metal clusters and the fullerene molecules. The performance of this project is helpful to choose suitable molecule/solid system for construction of molecular devices working at room temperature and also can be useful to understand molecular movements at single molecualr level to design new type molecular devices with novel functions.

分子器件是构建在单个分子或有限个分子上的具有特定功能的器件，是克服现有器件尺寸、工艺极限，研制下一代新型器件的重要途径。利用有机分子内秉特性是构筑具有新颖功能的分子器件的出发点和关键点。研制和开发室温下正常工作的新型单分子器件是分子器件研究领域的核心问题之一。申请人提出了基于分子构型调控的室温单分子器件的构建思路，以吸附在硅（111）表面上的富勒烯分子为研究体系，通过扫描隧道针尖和金属团簇调控富勒烯分子构型，建立施加电压、隧穿电流、针尖与分子之间高度对分子转动的本构关系，明确金属团簇类型、尺寸和作用位点对富勒烯分子构型的影响，理解分子构型转变机制，构建室温单分子原型器件。这一基础研究有助于在亚分子水平上理解分子构型及其转换的基本问题，为设计、构筑新型分子器件和量子器件奠定基础，具有重要的科学意义和潜在的应用前景。

本项目主要研究内容为使用扫描隧道显微技术确定富勒烯分子在面内的分子取向，建立吸附结构模型并操控分子的转动与运输；建立施加电压、隧穿电流、针尖与分子间距离对分子操纵的本构关系；通过针尖操纵银原子在硅表面上的运动，构成人工设计的银团簇体系，理解银团簇大小、位置等因素对分子取向的影响。这一基础研究有利于在分子层次上理解分子运动的基本问题，并进一步构建基于单分子的逻辑器件。. 利用“阀门开关法”银原子操纵技术，调节硅(111)-(7×7)重构表面两个半单胞之间的势垒，实现银原子在硅单胞之间的跳跃来操纵银原子的指定性运动，构建了不同的“原子-团簇”构型。利用STM的“垂直操纵”模式，用STM针尖“提起”硅(111)重构表面的单个银原子，使用相反的过程将银原子“释放”到表面的指定位置，构建了原子数精确的银原子纳米团簇。利用银团簇对最邻近单个银原子的运动行为进行调控，分析了不同尺寸银团簇最近邻位置的目标银原子的迁移行为。.探讨富勒烯分子在金属表面的属性及调控，发现分子呈现圆形、三瓣形分布。通过针尖与分子的相互排斥力可以改变其在铜(111)表面的吸附构型。利用STM针尖吸附硅（111）表面的富勒烯分子，并将分子释放在重构表面的指定位点，统计出分子操纵误差不超过1Ǻ，成功的展示了原子级别高精度的分子重定位操纵，并首次实现了微米级别的有机大分子运输。基于此，使用针尖将十个富勒烯分子逐个摆放在角洞位置，在分子尺度上人工构建了简易的两档分子算盘，并进行了简单的运算操作。. 选取酞菁分子作为研究体系，建立单个酞菁分子的精确控制的技术路线，实现室温下对单个分子吸附取向的调控与单个分子在表面运动的驱动，构建了室温下具有稳定存储功能的分子存储原型器件。通过操纵七个SnCl2Pc分子构筑的分子阵列，实现了信号沿着分子导线的传输。操纵四个SnCl2Pc分子构筑了分子逻辑器件，可实现逻辑“与”门的功能。. 在《Nature Nanotechnology》，《ACS Nano》等国际领域顶级期刊上发表SCI论文19篇，部分工作还在整理成文中。