【正文】 再次感謝趙老師。石墨烯被認(rèn)為是研究分子電 子和光電應(yīng)用的最有前途的材料，可能替代目前使用的基于硅和金屬氧化物的電子器件。它的電、磁、機(jī)械物理和化學(xué)性質(zhì)，被認(rèn)為 是研究分子電子和光電應(yīng)用的最有前途的材料，可能替代目前使用的基于硅和金屬氧化物的器件。為了得到有帶隙的石墨烯，石墨烯納米帶已經(jīng)被考慮使用。研究表明柵電極在很大程度上影響著石墨烯片上的載 流子遷移率。 （ 2） 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)用 基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的石墨烯，由于其內(nèi)在的機(jī)電性質(zhì)，引起了研究人員很大的興趣。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 15 （ 1） 有機(jī)發(fā)光元件 自從 Tang 在 1987 年第一次報(bào)道了基于有機(jī)聚合物的發(fā)光設(shè)備，這些設(shè)備由于成本低和聚合物物理性質(zhì)容易變化的特點(diǎn)，已經(jīng)吸引空穴重新結(jié)合成大量的聚合物，激發(fā)性電子就會(huì)以電磁輻射的形式釋放能量并且產(chǎn)生。 為了找到一種合適的材料作為光電應(yīng)用的電極（例如：有機(jī)發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池），需要滿足兩個(gè)主要的要求：（ 1）透光率大于 90%，即光不能被吸收 （ 2）導(dǎo)電性，即導(dǎo)電性能要好，與厚度無(wú)關(guān)。因此，它的性質(zhì)類似于金屬材料。所以，它的透光率是相當(dāng)高的，單分子層石墨烯的透光率大于 97%，雙分子層石墨烯大于 95%，（見(jiàn)圖 ）作為一種高度透明的材料，在光電應(yīng)用中有很大的潛力。但是，它的平面形狀并不會(huì)干擾它的屬性。在分子電子學(xué)領(lǐng)域，石墨烯也有它潛在應(yīng)用的特性，如高電流密度、量子霍爾效應(yīng)、高電子遷移率、高光學(xué)透明度、化學(xué)穩(wěn)定性和惰性、高機(jī)械性能和依賴于它的結(jié)構(gòu)的微分電子行為 [2124]。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 13 4 石墨烯 簡(jiǎn)介 石墨，自然界中發(fā)現(xiàn)的最常見(jiàn)的碳的一種同素異形體，是由堆疊的蜂窩狀的碳六邊形二維圖層組成。單壁碳納米管晶體管已經(jīng)證明可以在微波頻率下進(jìn)行操作，并且在太赫茲頻率范圍內(nèi)的操作也得到了證明。這些早期的器件有 p型半導(dǎo)體的性質(zhì)；這種性質(zhì)并不是納米管固有的，基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的 P型碳納米管，通過(guò)真空下退火處理或與堿金屬的化學(xué)摻雜或其它的還原劑等方法處理，可以變?yōu)?n型碳納米管。它們很容易被轉(zhuǎn)換成酰鹵與胺反應(yīng)后產(chǎn)生的酰胺鍵，可以用于連接單壁碳納米管的共價(jià)鍵和其它分子。第一種方法是將偏置電壓加到兩個(gè)電極并連接到碳納米管，直到發(fā)生電子擊穿。 碳納米管器件 碳納米管作為連接體 分子電子器件的構(gòu)建需要在分子水平進(jìn) 行連接。將放置在附近的第三個(gè)電極作為柵電極，電導(dǎo)在室溫下對(duì)金屬納米管的柵極電壓有較小的依賴性。同樣，碳納米管表現(xiàn)金屬性還是半導(dǎo)體性也取決于 碳納米管 管是如何螺旋卷起的。第一次在溶液中研究電化學(xué)性質(zhì)是用可溶性的吡咯烷碳納米管樣品。金屬催化劑的使用多種多樣，重量百分含量為 1的 釔 和 物是產(chǎn)量最高的催化劑 [20]。主要有以下三種方法：電弧放電法，激光消融法和化學(xué)氣相沉淀法（ CVD)。有三種類型的碳納米管。單壁碳納米管就像是石墨烯片卷起形成的管狀物。單壁碳納米管的形成發(fā)生在有金屬催化劑存在的電弧放電過(guò)程中。 總結(jié)與未來(lái)的方向 富勒烯分子顯示了它們?cè)跇?gòu)建納米級(jí)電子器件方面的巨大潛力，因?yàn)樗鼈冇腥菀孜针娮拥?LUMO軌道，它們的球形結(jié)構(gòu)可以很好地實(shí)現(xiàn)自組裝過(guò)程。該設(shè)備可以承受高達(dá)幾微安的電流，更重要的是，結(jié)果證明了對(duì)單分子 C60晶體管進(jìn)行構(gòu)造和建設(shè)的可行性（見(jiàn)圖 ）。在低電位，可使分子整流比率為 2。第二種發(fā)生在 LUMO軌道，它在傳導(dǎo)過(guò)程中首先被存儲(chǔ)，放在兩個(gè)金屬電極和第三個(gè)電極中間，電子轉(zhuǎn)移發(fā)生在分子內(nèi)的 HOMO和 LUMO軌道之間。相反，電荷重組通常發(fā)生在 HOMO軌道中。絕緣橋能阻止干擾重組和電荷傳輸，所以具有優(yōu)越性，而導(dǎo)體橋可能由于本身的化學(xué)性質(zhì)影響電導(dǎo)或電荷傳輸。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 7 圖 富勒烯分子衍生物 連接供體和受體的橋在許多關(guān)鍵方面起著至關(guān)重要的作用。 富勒烯單分子器件 分子導(dǎo)線和供體 受體系統(tǒng) 富勒烯獨(dú)特的性質(zhì)，在建設(shè)照片感應(yīng)電荷傳輸系統(tǒng)時(shí)，它們是用作電子受體很好的候選材料，這要由于它們的低能量和三重簡(jiǎn)并的 LUMO軌道，可以很容易的吸收電子 [17]。 C60富勒烯具有 2 V以上的能隙，因此，它在室溫下是絕緣體，但它有一個(gè)低能量的 LUMO能級(jí)，所以，當(dāng) C60分子與金屬電極接觸，可以發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移并且電導(dǎo)可以通過(guò) LUMO軌道確定 。 單個(gè)富勒烯分子的電子輸運(yùn)性質(zhì) 為了更好的了解單個(gè)富勒烯分子的電子傳輸性質(zhì) , 從而探索設(shè)備應(yīng)用的可能性，研究單個(gè)的富勒烯分子連接到兩極的電流電壓特征是非常重要的。因此，還原過(guò)程濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 5 是化學(xué)可逆，電化學(xué)不可逆的。對(duì)于 C60，可以觀察到六個(gè)可逆的還原過(guò)程。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。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。位于日本的世界上最大的富勒烯制造廠也使用這種原料。 圖 碳納米材料代表性的例子。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。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)。 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]。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。碳納米管在建設(shè)分子電路和場(chǎng)效應(yīng)晶體管方面具有很大的潛力。 畢業(yè)論文 題 目 分子電子學(xué)中的碳基材料 學(xué) 院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 專 業(yè) 物理學(xué) 班 級(jí) 0901 學(xué) 生 趙小明 學(xué) 號(hào) 20200922155 指導(dǎo)教師 趙 朋 二〇一三 年 五 月 十二 日 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 I 摘 要 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)。另一方面，石墨烯不僅是代替 ITO 組成透明電極的最有前景 的材料，同時(shí)它也展現(xiàn)了它的量子霍爾效應(yīng)和電導(dǎo)特性。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。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。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]。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)?？栈\富勒烯 （ a） C60 ； （ b） C70；內(nèi)嵌富勒烯 （ c） La2IhC80；（ d） Lu3NIhC80；（ 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。這種火焰是由燃燒碳?xì)浠衔锏囊徊糠中纬傻?；因此，它的反?yīng)溫度取決于碳?xì)浠衔锖脱鯕獾谋壤?，通常低?2020K。 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)。 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]。在氧化掃描過(guò)程中，使用 1,1,2,2四氯乙烷作為溶劑，觀察到一個(gè)氧化可逆過(guò)程的是 C60，兩個(gè)氧化過(guò)程的是 C70，通過(guò)計(jì)算第一 次能量下降和第一次氧化過(guò)程發(fā)生時(shí)的能差，可以得出 C60和 C70的 HOMO–LUMO能隙 分別為 eV 和 eV，這些發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)了C60和 C70豐富的氧化還原性。由于 HOMO軌道主要位于三金屬氮化物團(tuán)簇中，氧化過(guò)程 發(fā)生在低電位， HOMO–LUMO能隙 的很小的。實(shí)驗(yàn)上采用 STM的方法研究電荷通過(guò)單個(gè) C60分子的傳輸。 其它理論研究已經(jīng)預(yù)測(cè)，通過(guò)內(nèi)嵌富勒烯的電荷傳輸，不同于依賴封裝原子性質(zhì)的空籠富勒烯，因?yàn)殡姾蓚鬏數(shù)闹饕揽赡苁歉焕障┨蓟\或封裝原子。另一個(gè)重要的屬性是，它們?cè)谥亟M后減少的能量非常少，因?yàn)槠鋭傂郧蛎娴膸缀谓Y(jié)構(gòu)和電子離域貫穿于整個(gè)分子。例如，它們可以在電