【正文】 ..........................................11 碳納米管器件 .......................................................................................................11 碳納米管作為連接體 ................................................................................11 碳納米管晶體管 ........................................................................................12 集成電路與未來(lái)的方向 .......................................................................................12 4 石墨烯 ..............................................................................................................................13 簡(jiǎn)介 .......................................................................................................................13 性質(zhì) .......................................................................................................................13 單分子和雙分子層石墨烯 ........................................................................13 多分子層石墨烯 ........................................................................................14 有機(jī)光電子的應(yīng)用 ...............................................................................................14 總結(jié)和未來(lái)的方向 ...............................................................................................15 結(jié)論 ......................................................................................................................................16 參考文獻(xiàn) ..............................................................................................................................17 致謝 ......................................................................................................................................19 附錄 ......................................................................................................................................20 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 1 1 前 言 伴隨著日益復(fù)雜的電子技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展，過(guò)去自上而下都依賴的硅基技術(shù)正面臨著技術(shù)方面和物理方面的雙層挑戰(zhàn) [12]。相比之下，用小分子采用自下而上的方法構(gòu)造電路正變得越來(lái)越受關(guān)注。分子所以被用作電子設(shè)備的理想候選材料，是因?yàn)樗鼈兛梢杂萌藗兪熘⑶液?jiǎn)單的方法來(lái)制備合成。在 2020 年， TAO 和他的合作者采用掃描隧道顯微鏡的方法（ STM），測(cè)出了多種有機(jī)分子的電導(dǎo) [3]。電導(dǎo)的直方圖顯示出來(lái)的峰值是量子電導(dǎo) G0（ =2e2/h =77 μS）的 1/100 的整數(shù)倍 ,這取決于電極之間分子形成穩(wěn)定連結(jié)的數(shù)目（見(jiàn)圖 ）。 圖 （ a， b）單分子電導(dǎo)實(shí)驗(yàn)示意圖；（ c， d）相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 2020年，同一研究小組報(bào)道了將一個(gè)有機(jī)分子作為一個(gè)分子晶體管的方法，并且通過(guò)分子的電流可以由柵極電壓（ Vg）進(jìn)行控制 [4]。隨著電壓的減小，電流增加，當(dāng)電壓減小為 ，電流會(huì)發(fā)生大幅度的增加。對(duì)照試驗(yàn)表明電流對(duì)柵極電壓沒(méi)有依賴關(guān)系，進(jìn)一步證明了晶體管的一些性質(zhì)。 碳基納米材料是建設(shè)分子集成電路很好的候選材料，因?yàn)樗鼈兙哂邪雽?dǎo)體的性質(zhì)，并且物理尺寸很小 [5]。許多研究人員已經(jīng)測(cè)量出單個(gè)分子的電導(dǎo)系數(shù)，并了解 了它們內(nèi)在的化學(xué)性質(zhì)。例如， Venkataraman在 2020年，證明了隨著苯基團(tuán)中分子之間轉(zhuǎn)動(dòng)角度的增加，聯(lián)苯化合物的電導(dǎo)系數(shù)會(huì)減小 [6]。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 2 碳納米材料的類型和形狀 隨著富勒烯 [7]的發(fā)現(xiàn)，碳納米材料的家族一直不斷的在壯大（見(jiàn)圖 ），富勒烯的發(fā)現(xiàn)緊隨其后的是多壁 (MWCNTs)和單壁的碳納米管 (SWCNTs)。通過(guò)電阻蒸發(fā)石墨時(shí)，在炭黑中發(fā)現(xiàn)了“洋蔥”結(jié)構(gòu)的同心多殼層富勒烯，通過(guò)對(duì)納米金剛石高溫淬火 [8]，或者是水下電弧放電 [9]，有機(jī)溶劑 [10]，液氮 [11]等方法，它們還能形成無(wú)定形碳和 碳納米管。其它突出的納米結(jié)構(gòu)，如奈米角型碳管 (CNHs)，是在室溫下將二氧化碳通過(guò)激光消融的碳在沒(méi)有金屬催化劑的條件下形成的。通過(guò)質(zhì)譜分析法發(fā)現(xiàn)富勒烯之后，內(nèi)嵌金屬富勒烯接著被發(fā)現(xiàn)，它們的內(nèi)嵌性質(zhì)幾年后就被確認(rèn)。原子團(tuán)簇也被定義在在富勒烯的范圍之內(nèi)，也許這個(gè)集團(tuán)中最重要的家族要屬三金屬氮化物內(nèi)嵌金屬富勒烯 (TNTEMFs)。而且金屬氧化物、金屬碳化物、金屬硫化物也能內(nèi)嵌到富勒烯碳籠中。 圖 碳納米材料代表性的例子?？栈\富勒烯 （ a） C60 ； （ b） C70；內(nèi)嵌富勒烯 （ c） La2@IhC80；（ d） Lu3N@IhC80；（ e） 石墨烯片； （ f） 鋸齒狀的單壁碳納米管； （ g） 扶手椅狀的單壁碳納米管；（ h） 對(duì)稱性的固碳納米管； （ i） 奈納米角碳管 （ j） 嵌套碳籠 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 3 2 富勒烯 富勒烯制備 富勒烯是在用激光誘導(dǎo)石墨蒸發(fā)的時(shí)候首次被發(fā)現(xiàn)的，然而，第一次制備富勒烯卻是用電弧放電蒸發(fā)石墨實(shí)現(xiàn)的 [1215]，如圖 所示。 圖 電弧放電反應(yīng)器制備富勒烯 它是由真空出口管、電機(jī)、電源、氣體出口、等離子體、石墨棒含有的金屬氧化物正極、石墨負(fù)極、水出口等部分組成。現(xiàn) 在，碳?xì)浠衔锸侵苽淇栈\富勒烯的最好的原料。位于日本的世界上最大的富勒烯制造廠也使用這種原料。這種火焰是由燃燒碳?xì)浠衔锏囊徊糠中纬傻模灰虼?，它的反?yīng)溫度取決于碳?xì)浠衔锖脱鯕獾谋壤?，通常低?2020K。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是，它是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程并且整體能耗低。然而，由于火焰的產(chǎn)生也限制了該方法的適用范圍；因此，在實(shí)驗(yàn)室制備富勒烯時(shí)電弧放電的方法是優(yōu)先考慮使用的。電極之間間隙的距離，不僅影響等離子體的電氣特性，同時(shí)也影響輻射水平和等離子體與周圍環(huán)境的熱交換。 其它參數(shù)，如金屬添加，等離子氣體和溫度都相對(duì)獨(dú)立和 容易調(diào)節(jié)的，因此用多個(gè)相同的電弧放電反應(yīng)器來(lái)制備大量的碳納米材料變成了現(xiàn)實(shí)。粉末狀的金屬或金屬氧化物可以填充在石墨棒中，從而導(dǎo)致內(nèi)嵌金屬富勒烯的形成。同時(shí)，如果在電弧放電時(shí)控制反應(yīng)氣體，不同的團(tuán)簇還可以合并內(nèi)嵌到富勒烯碳籠中。鹽類或有機(jī)分子可以用作包裝材料，多元化的產(chǎn)品能夠從電弧放電過(guò)程中直接獲得。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 4 富勒烯的氧化還原性能 早期的理論計(jì)算建立在 C60有一個(gè)低能級(jí)的 LUMO軌道，并且是三重簡(jiǎn)并，因此能夠接受 6個(gè)以上電子的減少 [16]。在電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中， 甲苯與 乙腈 的比例為 5： 1，并且溶劑混合物的溫度為 10℃ 時(shí) ， C60的電化學(xué)性質(zhì)才可能檢測(cè)出來(lái)（見(jiàn)圖 ）。 圖 (a)C60富勒烯的電化學(xué)性能，循環(huán)伏安法（上）和差分脈沖電化學(xué)伏安法（下）；（ b) 富勒烯吸收 6個(gè)電子（紅色箭頭）后的 HOMO和 LUMO軌道示意圖 對(duì)于 C70，可以預(yù)測(cè)它的 LUMO軌道是二重簡(jiǎn)并，因此