1、分子電子器件分子電子器件u 定義定義應用具有一定結構的分子（包括生物分子）在分子或超分子尺度范圍內構筑有序體系，應用具有一定結構的分子（包括生物分子）在分子或超分子尺度范圍內構筑有序體系，通過分子層次上的物理或化學作用完成信息的檢測、處理、傳輸和存功能的器件。通過分子層次上的物理或化學作用完成信息的檢測、處理、傳輸和存功能的器件。游效曾，游效曾，分子材料分子材料光電功能化合物光電功能化合物u電子技術發展的五個階段：電子技術發展的五個階段：電子管、晶體管、集成電路、大規模集成電路、超大規模集成電路電子管、晶體管、集成電路、大規模集成電路、超大規模集成電路 指甲大小芯片上制成幾百萬個元件指甲大小芯

2、片上制成幾百萬個元件u 摩爾定律：摩爾定律：每隔三個月，三極管尺寸約縮小每隔三個月，三極管尺寸約縮小1/2。（ 0.18m mm ）u極限極限：不太可能使金屬導線小到不太可能使金屬導線小到0.1m mm以下和在以下和在1mm2的硅片上制作的硅片上制作25萬個門電路。萬個門電路。提高集成度、縮小體積、增加功能提高集成度、縮小體積、增加功能在分子水平上模擬生物過程來制造電子器件在分子水平上模擬生物過程來制造電子器件（第六代計算機）（第六代計算機）u 優點優點（1）分子結構具有多樣性和可剪裁性，易于實現分子間的連接，特別是可以用外加信號）分子結構具有多樣性和可剪裁性，易于實現分子間的連接，特別是可以

3、用外加信號控制和改變這種連接，即網絡特征，而這正是現有集成芯片的不足之處；控制和改變這種連接，即網絡特征，而這正是現有集成芯片的不足之處；（2）采用分子組裝技術可以克服現有加工工藝中存在的亞微米障礙，極限情況下可以得）采用分子組裝技術可以克服現有加工工藝中存在的亞微米障礙，極限情況下可以得到單分子或原子器件；到單分子或原子器件；（3）分子電子器件易于與傳感器件或生物體兼容，為仿生信息系統的研制提供了可能。）分子電子器件易于與傳感器件或生物體兼容，為仿生信息系統的研制提供了可能。分子電子器件分子電子器件u 條件條件（1）元件分子含有光、電或離子活性功能基；）元件分子含有光、電或離子活性功能基；（

4、2）能按特定需要組裝成組件，大量組件的有序排列能形成更大的器件；）能按特定需要組裝成組件，大量組件的有序排列能形成更大的器件；（3）分子器件輸出的信號易于檢測。）分子器件輸出的信號易于檢測。u 研究目標研究目標（1）功能材料、元件、器件模型的基礎研究；）功能材料、元件、器件模型的基礎研究；（2）研制分子計算機系統和分子機器。）研制分子計算機系統和分子機器。J. AM. CHEM. SOC. 2009, 131, 1501815025一、分子開關一、分子開關（Molecular Switch）OnOffstimuliredyellowStimuli: 化學、光、電、磁化學、光、電、磁 等等旋轉旋

5、轉雙穩態雙穩態二進制二進制Figure 6. (Left) Electron density map of the pure red monomer phase and(right) electron density map of the pure yellow dimer phase as revealed byphotocrystallographic techniques. Besides the flipping of the phenyl residues toward the cyclobutyl ring during the addition reaction, the cyc

6、loaddition reaction also causes a rotation of the TFMS anion. It should be noted that, already in the monomer phase, the R-stypy(TFMS) molecules stack nearly perfectly on top of each other, forming a quasi-complexlike structure.分子開關分子開關1. 異構體互變與配位變化的分子開關異構體互變與配位變化的分子開關螺吡喃類化合物分子開關螺吡喃類化合物分子開關光光配位作用配位作

7、用分子開關分子開關2. 氧化還原實現的開關作用氧化還原實現的開關作用Cu(I)索烴配合物的開關作用索烴配合物的開關作用J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 4397-4408In the rotaxanes, a ring is translated along a rodlike component on which it is threadedsp3sp3d分子開關分子開關釕配合物的氧化還原開關作用釕配合物的氧化還原開關作用Redox-responsive luminescence switch熒光熒光淬滅淬滅熒光熒光分子開關分子開關/導線導線金屬串分子開關金屬串分子開

8、關Redox-responsive metalmetal bonds分子開關分子開關J. Org. Chem. 2007, 72, 3108-3111Complexation of Triptycene-Based Cylindrical Macrotricyclic Polyether toward Diquaternary Salts: Ion-Controlled Binding and Release of the Guests（三蝶烯）（三蝶烯）分子識別分子識別二、分子梭二、分子梭 （Molecular Shuttle）J. Am. Chem. SOC. 1991, 113, 513

9、1-5133J. Fraser Stoddart，第一個分子梭輪烷，兩個苯醌基團被聚醚線（，第一個分子梭輪烷，兩個苯醌基團被聚醚線（polyether “thread”）連接，穿入環狀分子（）連接，穿入環狀分子（“station”）內，在室溫下每秒可平動）內，在室溫下每秒可平動500次。次。分子梭分子梭分子梭分子梭二苯并二苯并24冠冠-8二烷基胺二烷基胺4,4-聯吡啶聯吡啶識別點：識別點：酸、堿可控的分子梭酸、堿可控的分子梭分子梭分子梭光驅動的分子梭光驅動的分子梭分子梭分子梭輪烷輪烷36+在光驅動下作為分子梭的工作示意圖在光驅動下作為分子梭的工作示意圖三、分子轉子三、分子轉子在分子上引入官能團

10、，利用官能團相互作用產生的化學鍵推動分子轉動在分子上引入官能團，利用官能團相互作用產生的化學鍵推動分子轉動順時針旋轉順時針旋轉180 C張力驅動張力驅動四、分子電梯四、分子電梯分子的不同狀態通過外部的刺激（分子的不同狀態通過外部的刺激（pH）導通）導通五、分子齒輪五、分子齒輪Metallocenes are perhaps the simplest type of molecular carousel.Chem. Rev. 2005, 105, 1281-1376乙基構象上下交替分子錐齒輪三角架的旋轉并不與苯環的旋轉齒合，不是真正的錐齒輪。三角架的旋轉并不與苯環的旋轉齒合，不是真正的錐齒輪。分

11、子齒輪分子齒輪類似于錐齒輪的配合物類似于錐齒輪的配合物金屬配位減低能壘的體系金屬配位減低能壘的體系類似于螺旋系統的配合物類似于螺旋系統的配合物環的無阻礙旋轉導致C2v對稱性NMR和X衍射顯示三個萘環無序Porphyrins will form 2:1 complexes with largermetal ions wherein the metal lies between twoporphyrin rings to form a carousel structure分子齒輪分子齒輪分子齒輪分子齒輪分子齒輪分子齒輪非對映異構體非對映異構體 Nonsandwich porphyrin compl

12、ex that encapsulates fullerenes.分子齒輪分子齒輪Figure 53. Molecular oscillator based on fullerene encapsulation to a porphyrin face-to-face dimer complex.振蕩器振蕩器分子齒輪分子齒輪Complexation of disks into superstructures using silver ions.盤狀盤狀晶體晶體分子齒輪分子齒輪Molecular carousel formed by the quantitative self-assembly of

13、 two polythiazolylbenzene disks with three silver ions.六、分子導線六、分子導線u定義：能在遠端（終端）基團之間進行一個電子（空穴）交換，并能與外定義：能在遠端（終端）基團之間進行一個電子（空穴）交換，并能與外部交換電子的一維分子。能夠傳輸信號、信息等。部交換電子的一維分子。能夠傳輸信號、信息等。u條件：條件：（1）導電；）導電；（2）有一定長度；）有一定長度；（3）含有能夠連接到系統單元的連接點；）含有能夠連接到系統單元的連接點；（4）允許在其端點進行氧化還原反應；）允許在其端點進行氧化還原反應；（5）與周圍絕緣以阻止電子的任意傳輸。）與

14、周圍絕緣以阻止電子的任意傳輸。u優點：優點：（1）傳輸更大的電流；）傳輸更大的電流；（2）可以利用相同的基本物理過程作為標準的硅微電子元件；）可以利用相同的基本物理過程作為標準的硅微電子元件；（3）作為微晶體管，能作為互連器和元件，具有雙重作用；）作為微晶體管，能作為互連器和元件，具有雙重作用；（4）可連接分子器件。）可連接分子器件。六、分子導線六、分子導線有機分子導線（具有大有機分子導線（具有大p p共軛體系的有機分子長鏈）共軛體系的有機分子長鏈）基于生物分子的導線基于生物分子的導線有爭議？有爭議？分子導線分子導線金屬分子導線金屬分子導線分子導線分子導線Chem. Commun., 2009

15、, 43234331Shie-Ming Peng萘燒法萘燒法分子導線分子導線分子導線分子導線分子導線分子導線分子導線分子導線分子導線分子導線分子導線分子導線An ideal electrical wire needs not only good conductivity for its central conductor but also a surrounding insulating layer to protect its current from leaking. We show that the extended metal-atom chain is a promising can

16、didate to be the smallest molecular electrical wire for future practical applications. The electron can move through core metals, while the internal current is insulated from outside by the surrounding -conjugated functional group. Smallest Electrical Wire Based on Extended Metal-Atom Chains J. Phys

17、. Chem. C 2010, 114, 36413644分子導線分子導線Chem. Commun., 2010, 46, 13381340分子導線分子導線Ru3(m3-dpa)4(NCS)2分子導線分子導線金屬串配合物的軸向擴展和一維延伸金屬串配合物的軸向擴展和一維延伸Ni3(dpa)4Ag(CN)22分子導線分子導線Ni5(tpda)4Cp(dppe)Fe(CN)2分子導線分子導線金屬卟啉金屬卟啉-金屬串配合物金屬串配合物分子導線分子導線Ni3(dpa)4(4-PyCOO)2ZnTPP2分子導線分子導線Mixed-valence metal complexes bridged by con

18、jugated organic ligands and capped with redox-active organometallic termini allow facile intramolecular electron transfer to occur along the molecular backbone.Inorg. Chem. 2007, 46, 5651-5664Electrochemical measurements and spectroscopic studies in the near-infrared region are commonly employed to evaluate the capability of electronic interaction between remote electro-active organometallic groups and to access a series of decisive information on the metal-metal charge-transfer process in the mixed-valence compounds with extended -delocaliz