单分子的新奇物性及其调控

随着电学器件的尺寸逐渐减小,分子电子学,即将单个分子作为电路的组成元件,逐渐成为一个前沿研究领域.在分子电子学领域中,这种单分子器件不仅为未来电路器件的微型化提供了潜在的解决方案,更是由于其独特的纳米尺度而蕴含着大量新奇的物理性质.本文在简要介绍单分子器件的构筑方法后,详细介绍了单分子器件在电学、磁学和量子方面的部分新奇物性以及相应的调控方式,并对单分子科学在器件制备方法、测试手段和机制研究等方面进行简要的总结与展望.     

外场操控单分子的电子转移动力学特性

研究单分子的电子转移动力学特性并进行可靠的量子操控是应用单分子于量子信息领域的先决条件.利用电场改变单分子与周围电子受体之间的库仑势垒,操控PMMA聚合物薄膜中的染料SR单分子的电子转移,发现分子荧光对电场响应存在增强效应.将电流引入染料SR单分子/ITO半导体纳米粒子系统中,观察到了电流操控下的单分子荧光强度熄灭效应,电子转移率达到91％.     

单分子二极管整流特性的第一性原理计算

在分子电子学领域中, 设计分子的结构可以实现特定的功能. 单分子二极管的整流行为是极具吸引力的器件功能之一. 研究了对称分子和非对称分子结的电子输运, 分别对应为四苯基和二嘧啶基二苯基单分子结, 二者均是共价结合到两金属电极. 与其同源对称嵌段相比, 非对称二嵌段分子表现出明显的整流行为, 且电子输运方向是从二苯基流向二嘧啶基. 利用密度泛函理论(density functional theory, DFT)和非平衡格林函数(non-equilibrium Green's function, NEGF)结合的第一性原理方法研究了单分子结的电子结构及其量子输运. 电流-电压 ($I$-$V$)曲线的非对称性可以用非对称分子二嵌段在偏压下由于电子态的局域性带来的非平衡效应进行解释. 本理论计算定性上符合其他小组的实验结果, 且尝试了不同的末端接触. 结果发现, 实验中的扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)针尖接触结构会一定程度地抵消非对称分子的整流效应, 而 STM 针尖接触结构的结果分析也符合之前的理论预测.     

单分子二维范德华异质结的层间电输运性质

正随着集成电路和芯片的快速发展,电子器件小型化是电子信息产业发展的必然趋势,而这将导致其工艺和研发成本大幅增加,同时会产生热耗散、量子隧穿效应、强电场等一系列技术难题.通过"自下而上"的方式构筑单分子电子器件,是未来集成电路器件小型化进程中重要的潜在选项之一.2020年5月30日,洪文晶教授课题组、杨扬副教授课题组和欧洲科学院柯林·兰伯特院士课题组于Science Advances期刊在线发表研究论文[1],报道了单分子二维范德华异质结器件的构筑及其电输运性质.文中基于二维材料范德华异质结和有机分子的优     

单分子磁体耦合铁磁电极的量子输运

用主方程方法研究单分子磁体与两个铁磁电极耦合的自旋极化输运特性,对左右铁磁电极的自旋极化方向成任意角的情况,计算了单分子磁体量子态的占据率及通过系统的电流和隧穿磁阻(TMR).态的占据率随时问的变化表明单分子磁体的自旋翻转,当时间足够长时,占据率达到稳态,不同的夹角发生翻转现象的时间不同.这些结果为磁性分子器件的设计提供了理论依据.     

单苯分子器件I-V特性的紧束缚近似法研究

采用紧束缚近似法对由单苯基分子构成的三端器件的I-V特性进行了研究,所得结果近似表现出了MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)器件的电学规律;同时模拟并讨论了该器件的I-V特性随温度的变化规律．发现：电流幅值随门电压的增大而增加,温度对电流幅值有重要影响．文中所得结论为分子器件和纳米器件的开发提供了理论基础．     

图案化自组装有机单分子薄膜

目的图案化自组装有机单分子薄膜,开辟低成本、高效率制备有机单分子薄膜图案的新途径。方法采用光刻蚀的方法制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)模子,通过模板诱导组装,将有机分子十六烷基硫醇(HDT)、1,10-癸二硫醇(DDT)和4-十二烷基硫醇邻苯二酚(MBD)选择性沉积在金表面。结果得到规则有序的有机单分子层图案。结论利用有机分子端基官能团功能化金表面,这种被功能化的金试样是形成纳米颗粒图案和制备有机分子器件的基础。     

单分子纳米技术

近年来,对于将单一分子作为研究对象的科学研究越来越多。借助于现代的实验仪器,科学家们已经能够揭示单一分子的性质。科学家们可以对酶、分子马达、活体细胞中信号传导过程中的受体等一些重要生物分子的直接表征。常见的单分子研究包括对细胞膜上离子通道电学性质研究,对单分子之间的生物化学反应动力学参数的测量,利用扫描探针技术或荧光技术对单分子进行成像研究以及直接通过电子显微镜对单分子进行检测。     

单分子磁体与分子自旋电子材料

从单分子磁体合成、结构和性质及其在分子自旋晶体管、分子自旋电子管中的应用等方面,结合最新研究成果对这一有着应用前景的领域作了简要概述.单分子磁体是由内部的磁核和外围的有机分子壳层组成,可以通过修饰有机配体的基团和交换内部磁性离子等方法改善其物理和化学性能:带有烷基间隔基的[Co(Tpy-(CH2)5-SH)2]单核磁分子是一个弱偶合体系,而无烷基间隔基的[Co(TerPy)2]是强偶合,且Kondo温度异常地高(约25 K);将含两个磁中心的二核钒分子([(N,N',N"-trimethyl-1,4,7-triazacyclononane)2 V2(CN)4(μ-C4N4)])嫁接到电极表面出现有趣物理效应.上述就是在分子水平上研究电子自旋和电荷的分子自旋电子装置.     

分子器件中国科学家谈科学

分子器件将使人们的生活空间扩展到微观的层次,将改变社会的方方面面,尤其会引起生物、医学、材料、电子等领域的根本性变化。分子器件的概念涉及两方面的内涵:基于分子材料的器件和基于分子尺度的器件。基于分子材料的器件涉及到各种薄膜器件、单晶器件、自组装器件等。基于分子尺度的器件是目前国际科技界竞争最为激烈的领域之一。分子器件的发展有两种趋势:一是将无机材料合成为有机材料,增强分子的柔软性;二是注重单分子的功能,力争实现超高性能器件。     

电场调制WS2单层分子薄膜光致发光行为

二维材料已经在多个领域得到应用,其中过渡金属硫化物(Transition metal dichalcogenides,TMDCs)因存在带隙而有望用于光电领域.将机械剥离法制备的WS2单层分子薄膜通过干法转移至两种微周期电极结构上,实验发现其光致发光信号受到外加偏压的调制.研究了常温和低温环境下外加偏压对WS2薄膜荧光光谱信号的影响,分析讨论了不同荧光峰强度和峰位的变化行为和物理机理.基于外加偏压,实现对WS2单层分子薄膜光学性能的调制,有望在场效应晶体管、光电探测器、柔性电子器件以及异质结器件等诸多光电领域实现应用.     

单分子表面增强光谱

单分子表面增强光谱的研究不仅对揭示分子与金属纳米结构的相互作用的物理机制具有重要意义, 而且具有重要的应用前景. 本文主要结合我们在单分子表面增强拉曼散射方面的研究工作, 介绍了单分子表面增强拉曼散射的研究进展, 包括增强机理、与入射光偏振的关系、多颗粒体系中对拉曼散射光的偏振调控、单分子表面增强拉曼散射中的光学力问题及单分子表面增强拉曼散射的远程激发, 并简要介绍了单分子针尖增强拉曼散射和单分子表面增强荧光.     

门电压诱导的单分子磁体磁滞效应

基于率方程研究了温差驱动的单分子磁体中,门电压诱导的磁滞效应。当门电压从某一负值缓慢地增加到某一正值再从该正值返回到负值时,分子磁体磁化强度对门电压的响应曲线不重合,而是一条闭合磁滞回线。这种磁滞效应是分子磁体的宏观量子效应,只出现在低温下,可以从分子态占据概率对门电压的依赖来解释。此外,还讨论了温度、铁磁电极极化率以及交换作用对磁滞回线所围面积的影响。     

分子器件电路中的混沌效应

大多数分子器件存在负微分电阻效应,其伏安特性曲线具有明显的非线性.该文基于数值计算方法考查了Si4分子器件构成电路中的动力学行为,通过计算Si4分子器件构成电路方程的李雅谱诺夫指数,可以在合适的参数区间内观察到混沌动力学行为.     

实现低浓度检测精准抓取 点亮单分子技术崭新视野——专访深圳市光与生物科技有限公司创始人何皓博士

单分子检测技术是近十年来迅速发展起来的一种超灵敏的检测技术，在化学分析、DNA测序、医学诊断等方面都具有独特的应用价值，对许多领域都产生了深远影响。本科就读于中科大少年班生物系的何皓博士，将留学期间完成的单分子荧光检测PCT专利回国进行转化，于2019年创立了深圳市光与生物科技有限公司（以下简称“光与生物”）。何皓团队以其核心技术（纳米级超亮稀土上转换发光探针技术及单颗粒成像系统），开发了具有高性价比的超灵敏单分子检测技术平台，为医疗科研和诊断领域带来飞克级别（fg/ml）的检测解决方案。作为深圳青年五四奖章的获得者，何皓博士运用单分子检测助力重疾早筛，为免疫标记物安装“灯泡”，显著提升了检测灵敏度。在2022年8月完成了Pre-A轮融资后，光与生物将推进更多新项目的挖掘、转化和市场拓展。未来，单分子免疫检测技术将应用到更多的临床诊断场景中。     

单分子科学前沿—监测、操纵与表征

单分子监测与操纵（Single-Molecule Observation and Manipulation）综合利用光学工具、荧光标记和扫描探针显微技术对单分子进行成像和监测。过去在观测大分子行为时,必须设法使样本中反应同步进行,以获取相对准确的分布信息。而单分子监测与操纵技术的出现,使得研究生理环境下的实时反应中大分子的构型、分布和反应进程成为可能,并为进一步解释DNA转录、RNA聚合、动力蛋白和蛋白质折叠机理等一系列过程提供了有力的研究手段。使用扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope,STM）,可以更为深刻地观察分子的量子电动力学行为,理解分子水平上力学作用、电磁作用及化学作用的相互影响,并以此为基础设计极其高效的纳米器件。对上述三个领域（光学工具、荧光标记、扫描探针显微技术）做了简要介绍,并重点阐述其在生物大分子研究中的具体应用。     

有机手性分子器件的光电特性

目前多种有机手性分子器件虽已研制成功,但其内在的物理机理仍有许多未解之谜,其中手性分子的圆二色性精细结构、手性诱导的自旋选择效应等是有机手性分子研究的核心。为设计基于手性的新型有机功能器件提供理论指导,考虑有机手性分子螺旋势场诱导的自旋-轨道耦合,围绕分子的光电特性及其调控展开了系列研究。根据光致跃迁理论,得到手性分子的光吸收谱和圆二色谱,发现光吸收峰发生劈裂,圆二色谱由轨道磁矩和自旋磁矩共同贡献。此外,从极化子输运的图像解释了手性诱导自旋选择效应的来源,并利用其电输运特性,设计了手性异质结器件,发现其手性电阻可达7%,整流比达48。     

室温单分子光场的光子统计特性

介绍了三能级结构室温单分子光学探测的工作原理,利用Hanbury-Brown-Twiss探测方法研究通过记录两个单光子探测器响应的单分子光场的每一个事件,分析单事件的光子统计概率P(n,n=0、1、2)与Mandel参数.研究利用单事件光子统计直接测量单分子光子源的信号背景比和快速判断单分子.     

临近空间单粒子效应的数值模型和电路模拟

针对临近空间单粒子效应进行了数值模型仿真和特征尺寸为0.1 μm的反相器电路的脉冲注入模拟研究。数值仿真结果表明器件临界电荷随着工作电压的降低而减小,敏感横截面随着临界电荷的降低而逐渐增大。临近空间微电子器件的单粒子翻转概率随敏感横截面增大而上升,但其又随临近空间高度的增加而下降。此外,利用SPICE软件脉冲注入模拟观察到了反相器电路的单粒子翻转现象。所得结论有助于深入研究临近空间的单粒子效应并为器件抗辐射加固提供了理论依据。     

高能中子诱发半导体器件产生单粒子翻转的模拟计算

随着半导体及电子工艺技术的迅速发展,器件向着小尺度、低电压、低电荷、高集成度迈进,大气中子对航空及地面的电子系统造成的单粒子效应越来越显著.本文采用PHITS2.24蒙特卡罗程序及其事件发生器功能,借助于核反应模型与截面数据,验算了描述器件发生单粒子翻转能力的MBGR参数,并采用大气高能中子能谱,对SRAM器件的单粒子翻转率进行了计算与分析.这为我们今后模拟大气中子产生的各类单粒子效应提供了基本方法,也为将来开展相应的辐照实验提供了理论基础.