【正文】 于日本的世界上最大的富勒烯制造廠也使用這種原料。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是，它是一個(gè)連續(xù)的過程并且整體能耗低。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。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。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程中直接獲得。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（見圖 ）。對(duì)于 C60，可以觀察到六個(gè)可逆的還原過程。更大的空籠富勒烯的氧化還原性同樣豐富，用于區(qū)分不同的同分異構(gòu)體，它已經(jīng)成為一個(gè)重要的技術(shù)方法。因此，還原過程濟(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。內(nèi)嵌金屬富勒烯 MC2n顯示出類似的性質(zhì)，它的 HOMO–LUMO能隙 更小。 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。 C60分子的研究有兩種不同的方法。 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 LUMO軌道確定 。這些差異可以用的在未來的納米器件，用于控制電流。 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]。根據(jù) Marcus的電子轉(zhuǎn)移理論，低能量的重組有利于電荷分離，并且能延緩電荷重組，從而使電荷長(zhǎng) 時(shí)間處于分離狀態(tài)。 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。橋的化學(xué)性質(zhì)和長(zhǎng)度比供受體的分離、定位、重疊和拓?fù)涓又匾＝^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。 在這種情況下，電荷分離過程主要是由供受體與連接軌道之間的重疊程度控制。相反，電荷重組通常發(fā)生在 HOMO軌道中。 (a)絕緣橋； (b)氧化還原梯度橋； (c)高度共軛橋 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 8 整流器 通過分子整流能產(chǎn)生三種不同的現(xiàn)象。第二種發(fā)生在 LUMO軌道，它在傳導(dǎo)過程中首先被存儲(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。對(duì) N摻雜和 P摻雜富勒烯的理論研究表明，這些材料可被用于制備一種經(jīng)典的 NP結(jié)，也就是二極管。在低電位，可使分子整流比率為 2。 晶體管 生成 C60的第一個(gè)設(shè)備可以認(rèn)為是一個(gè)晶體管，因?yàn)樗脵C(jī)電放大器來實(shí)現(xiàn)電壓放大，一個(gè)單一的 C60加上 STM指針，連接到壓電傳動(dòng)裝置 [18]（見圖 ）。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（見圖 ）。整個(gè)結(jié)構(gòu)建立在 一個(gè)絕緣的二氧化硅層的摻雜硅晶片 上，用柵電極調(diào)節(jié) C60分子的靜電勢(shì)。 總結(jié)與未來的方向 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)自組裝過程。隨著富勒烯家族中新成員的發(fā)現(xiàn)和多樣性的增加，新的特性也逐漸呈現(xiàn)。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程中。例如它們的拉伸強(qiáng)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼。單壁碳納米管就像是石墨烯片卷起形成的管狀物。但是，形成的每一種碳納米管，都可以用 Hamada的命名來區(qū)別 [19]。有三種類型的碳納米管。如果石墨烯片沿其它的方向（ m， n）卷起，就會(huì)產(chǎn)生手性對(duì)稱的碳納米管，手性取決于石墨烯片向上 或向下卷起的方向。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)。用電弧放電制備碳納米管，用類似的方法也可以制備富勒烯；摻雜的石墨陽極，在壓力為 500600毫巴，電流為 100500A的氦氣中可以被蒸發(fā)掉。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]。碳納米管樣品的溶解度極低，電解質(zhì)溶液的離子強(qiáng)度，表面活性劑的干擾和水介質(zhì)中有限的電化學(xué)窗口都阻礙了碳納米管電化學(xué)性能的研究。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。理論計(jì)算表明，碳納米管的電化學(xué)性能顯著影響著它的電子態(tài)的能量。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。碳納米管連接點(diǎn)的電導(dǎo)取決于碳納米管與金屬的接觸程度。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。 多壁碳納米管的電導(dǎo)是量子化的。 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。碳納米管是一維的彈道電子導(dǎo)體，因此它們?cè)谶\(yùn)輸電子時(shí)基本不需要消耗熱量；所以這些性質(zhì)可以用來建設(shè)真正的分子器件。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。 另外一種方法的碳納米管是自旋圖層的， 并且覆蓋有 PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）膜，在膜上的定義一個(gè)“窗口”使用超高分辨率的電子束光刻技術(shù)；然后，將碳納米管通過這個(gè)“窗口”使用氧等離子體進(jìn)行蝕刻（見圖 ）。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。碳納米管同樣有潛力應(yīng)用于原子力顯微鏡（ AFM)，但是目前還沒有被廣泛的采用。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。現(xiàn)在這個(gè)問題已經(jīng)可以通過選擇合適的電極材料來解決， p型碳納米管用 Pd（鈀）， n型碳納米管用 Sc（鈧）來作為電極，這種方法的缺點(diǎn)在于 Sc的價(jià)格比黃金的價(jià)格還要貴 5倍，但 Sc是可以用 Y（釔）來代 替， Y的價(jià)格比 Sc便宜 1000倍，并且可以達(dá)到相同的效果。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。盡管報(bào)道中采用使用單壁碳納米晶體 管對(duì)電子電路進(jìn)行構(gòu)建和操作，但是使用單個(gè)碳納米晶體管來構(gòu)建復(fù)雜的設(shè)備仍需要進(jìn)一步發(fā)展，因?yàn)楹铣珊途_定位大量幾何均勻的碳納米管是非常困難的，很多研究小組已經(jīng)在這個(gè)方向取得了很大的進(jìn)展，未來是很有前景的。 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。最近報(bào)道的關(guān)于單層的分離、孤立、合成的產(chǎn)品，就是石墨烯（見圖 ）。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]。 單分子和雙分子層石墨烯 單分子層石墨烯遇熱是不穩(wěn)定的；正因如此，在發(fā)現(xiàn)它的過程中遇到了很多困難。但是，它的平面形狀并不會(huì)干擾它的屬性。此外，石墨烯還顯示出強(qiáng)大的雙極性電場(chǎng)，電荷載流子的柵電壓取決于空穴和電子之間的交替。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。因此，石墨烯是迄今已知的彈性和伸展性最好的透明導(dǎo)體材料。因此，它的性質(zhì)類似于金屬材料。在能源存儲(chǔ)方面，如電池和超級(jí)電容器的研究已經(jīng)取得了可喜的成果。 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，與厚度無關(guān)。符合新的特性的材料應(yīng)該是靈活的、低成本、熱穩(wěn)定、適合大規(guī)模生產(chǎn)的。 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。使用 ITO電極是可能實(shí)現(xiàn)的，但是這種材料的幾個(gè)缺點(diǎn)迫使研究人員尋找其它的替代材料，包括碳納米管、納米線和光柵，導(dǎo)電氧化物和金屬薄膜。 （ 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。石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件已經(jīng)能用標(biāo)準(zhǔn)化的光刻方法來進(jìn)行制備，這種方法同樣也適用于其它的納米材料。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。 基于它零間隙的電子結(jié)構(gòu)，大的石墨烯片不適合場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)用。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。 使用單層和雙層石墨烯，來構(gòu)造雙柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管的技術(shù)，應(yīng)經(jīng)取得了顯著地成果。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。