1、 分子電子學是指用有機功能材料的分子構筑電子線路和各種元器件，如分子開關、分子整流器、分子晶體管等，并測量和解析這些分子尺度元器件的電特性或光特性的一門學科。 20世紀是無機半導體的世紀，21世紀將是有機分子電子學的世紀。科學家們根據摩爾定律預測，無機半導體集成電路的發展，將在2020年左右達到極限。隨著人類進入信息時代，電子技術要求器件和系統向“更小”“更快”“更冷”的方向發展什么是分子電子學 “更小”指器件和電路的尺寸更小 “更快”指響應和操作速度更快 “更冷”指單個器件的功耗更小。 但近年來，人們在向“更小”發展的過程中遇到了較大困難。以硅集成電路為例，國際上已能生產最小線寬為130納米

2、的電路，但在進一步發展到線寬小于100納米以下的電路（即所謂“納米電子器件”）時就會遇到兩大困難. 一是由于這一尺寸無法使用光刻技術因為它已遠遠小于光刻技術中所用光束的波長，而且掩膜和硅片的平整度及兩者的平行度也成為工藝方面的瓶頸 二是工藝設備和研發的投資可能遠遠大于回報，因為根據摩爾第二定律，這種成本隨器件尺寸的減小呈指數增長。如果能在一個有機分子的區域內實現對電子運動的控制，使分子聚集體構成有特殊功能的器件分子器件，則完全有望突破摩爾定律，極大地提高電路的集成度與計算機的運行速度。因此，科學家將注意力逐漸集中到分子學，也是很自然的事情。 分子電子學研究的基本問題大體上可分為兩類: 分子器件

3、和分子材料。 分子器件主要研究分子導線、分子開關、分子整流器、分子存儲器、分子電路、分子電子芯片等，與傳統的固體器件相比，分子器件具有很多優點。1、分子電子芯片的尺寸比目前的硅芯片小3個數量級2、一個同樣體積的分子芯片具有比通常芯片高出幾百萬倍的計算能力3、在不明顯增加成本的前提下，由于集成度的提高，計算速度也會大大提高。而通過自組裝方式構造分子器件，可成功解決有機功能分子與界面的接觸問題及分子電子學研究的基本問題 分子材料主要研究哪些材料能夠用于制作分子器件、材料的制備方法及性能測試等。 這兩類基本問題是相輔相成、密不可分的。如何將分子材料與分子器件的研究有機結合，并協調發展，是分子電子學研

4、究的精髓，也是推動分子電子學發展的核心動力。界面接觸導致的測量誤差。 為了解決這些問題，在功能材料的末端，可有目的地引入一些用于自組裝的功能性基團，通過自組裝使材料與電極通過化學健接觸而非機械接觸結合。因此，自組裝技術近年來在分子器件研究中得到越來越廣泛的重視。 依據分子器件構筑過程當中的驅動力是靠外因還是靠內因，可將分子器件分為兩類，即人工組裝分子器件與自組裝分子器件。 人工組裝分子器件是按照人們的意志，利用物理和化學方法，人工地將分子尺度的物質單元組裝、排列，構成分子器件。人工組裝所用的裝配工具是近年來發展起來的掃描隧道顯微鏡，它的最大優點是在組裝過程中可以加入人工設計，但因為儀器所限，大

5、規模、高效率、低成本的直接組裝仍然沒有實現。 自組裝本身就是生物系統中相當普遍的現象，如DNA的合成，RNA的轉錄、調控及蛋白質的合成與折疊等。構筑分子器件人工組裝與自組裝分子開關 分子開關是指用電雙穩材料（對材料兩端施加電壓，當電場達到某一閾值時，該材料可由高阻態轉為低阻態；若再通過某種能量激勵，如反向電場或電流脈沖，又可使材料從低阻態恢復到高阻態。在沒有外加刺激時，兩種狀態均能穩定存在。）制成的具有雙穩態特性的量子化體系。當外界光、電、熱、磁、酸堿度等條件變化時，分子的形狀、化學健的生成或斷裂、振動以及旋轉等性質會隨之變化，通過這些幾何和化學的變化，分子可以在兩種分子器件掃描狀態之間可逆轉

6、換，兩種狀態由于電阻值高低不同而對應于電路的通斷，從而實現信息傳輸的功能。分子開關最新進展 1.磁性分子開關磁性分子開關是由具有自旋互變性質的基團或小分子配置在適當的超分子結構中形成的。在外加條件的作用下，該核心部位的電子在分子軌道中的能級排布會發生變化，使單電子的數目發生改變，以改變分子的磁性。最近迅速發展的分子強磁性的研究就是這一方面的代表 。有研究人員最近合成了具有光致變色性質的二芳基烯Diarylethene)磁性分子開關。磁性分子開關2.光控分子開關光控分子開關的基本要求是雙穩態，即兩個不同形式的分子通過外部光的刺激可以相互轉換。可以看出，上例中的磁性分子開關亦可歸入光控分子開關的范

7、疇。除此之外，以下再簡要介紹基于幾種不同原理的光控分子開關。（1）基于光誘導分子構型變化機理的開關一些平面型的有機分子在吸收一定的光時，構型會發生改變。例如：配合物Ru(NH3)52(-cpi)（cpi = 1 -（ 4 - 氰基苯基）咪唑）荷蘭格羅尼大學的研究人員則是利用不同波長的光來使分子的構型發生重排來達到開關的目的。但這種光致重排的反應機理目前尚在研究之中。迄今為止，設計得最巧妙的結構當屬 Slxl和 Higelin 所設計合成的N-鄰羥亞芐基苯胺光控分子開關。N-鄰羥亞芐基苯胺具有光致重排的性質。如果將多聚乙炔鏈（正在研究中的導電塑料）與N-鄰羥亞芐基苯胺相連，不難看出，如下圖左邊，

8、即當分子處于基態時，與鄰羥亞芐基直接相連的多聚乙炔鏈的共軛體系為單鍵，雙鍵相間的連續傳導系統，即分子開關呈開啟狀態；而在下圖右邊，開關分子處于光致激發狀態；多聚乙炔鏈的共軛體系發生間斷，從而使傳導功能終止。此時，分子開關呈關閉狀態。這里所使用的“導線”和“開關”無疑使分子器件計算機的制造成為可能。（2）通過光激發分子或分子體系內電子轉移導致材料的物理性能的變化 與上述變化相比，這類開關并不通過分子構象的變化，因此響應時間更加快。而且沒有構象變化就意味著單程轉化且沒有副反應發生，從而有很好的抗疲勞度和更多的循環次數。具體分子設計是選擇光敏性染料作為電子給體或電子受體，按一定方向連接，就會形成光誘

9、導電子轉移系統，從而實現電信號的傳遞。這種設計結構與植物光合作用的電子傳遞鏈極其相似。但是在分子設計上存在著如何形成能滿足工作條件的雙穩態，如何使兩種穩態的光學性質明顯不同等問題。研究人員找到了給體光分子開關苝四酰二亞胺，這個分子開關的速度是其他類型的分子開關的 10-100 倍，研究人員對它進行了 8600 萬次的檢驗沒發現它失靈。（見下圖）另一組研究人員研究了如下圖所示的化合物，在紫外光(UV ultraviolet)作用下脫去CN負離子，同時結構發生變化（形成了碳正離子，鍵角被拉大），從而帶動兩個配合體，使二者之間距離增大并釋放金屬離子，而當紫外光照射停止時，CN負離子又與碳正離子結合，

10、可以使夾心化合物又夾住金屬離子，從而實現光開關的功能。此外，雷恩等研究人員研究出的一種分子能以三種狀態存在（見下圖），第一種是無色的開狀態（左）；第二種是深藍色的關狀態（中）。第一和第二種結構均屬雙酚類物質，其變化的核心在于分子中部的一個環狀結構。強紫外光照射可以使環閉合，使狀態一變為狀態二，而藍色可見光可以逆轉這個過程；另外，處于關狀態的雙酚還可通過加735 毫伏電壓轉化成紫色的醌（右），這時分子不受光的影響，但加180毫伏反向電壓可以使分子回到第二種狀態。這表明此分子可以通過光電兩種方式進行轉換，表明可以用兩種形式來儲存信息。無色的開狀態深藍色的關狀態紫色的醌研究發現分子開關控制果蠅交配

11、一個分子開關使得雌果蠅拒絕交配，轉而專心產卵 生物分子開關 在13000次雌果蠅測試中，有一種基因正是科學家想要的。研究人員利用抗體來追蹤目標基因Dickson將其稱為SP受體(SPR)的位置。這種基因激活了雌果蠅的精子儲存器官和神經系統。特別需要指出的是，SPR大量聚集在與性行為有關的神經細胞中。SPR同時也存在于雄果蠅的神經系統中，但科學家還不清楚它對于雄性有什么意義。盡管已經有過交配和產卵的經歷，通過抑制大腦細胞中SPR的形成，這些雌果蠅的行為好像是一只從未交配過的昆蟲。研究小組將在本周出版的自然雜志上報告這一研究成果。研究人員指出，如果能夠找到一種抑制蚊子的SPR的藥物，將為瘧疾的防治

12、開辟新的道路使用這種藥物后，由于從產卵演變為無休止的交配，蚊子的種群數量將直線下降。 瑞士蘇黎世大學的生物學家Eric Kubli認為：“這是一項重大突破。”Kubli指出，盡管蚊子是否與果蠅具有類似的性行為開關尚未確定，但是蚊子具有一種序列與SPR非常接近的基因。他說，這將是科學家下一步的研究重點。 科學家發現慢性疼痛的“分子開關”美國科學家最新研究發現,神經細胞中的一種蛋白分子能夠控制是否會發生慢性疼痛,相當于一個“分子開關”。這一發現將有助于研制治療慢性疼痛的相關藥物。 哥倫比亞大學醫學中心研究人員在最新一期美國神經科學雜志電子版上報告說,神經細胞中的蛋白激酶G(PKG)就像慢性疼痛的“

13、開關”,當人體受到損傷或產 生炎癥時,蛋白激酶G開啟。這個開關一旦被激活,它會引發體內其他反應,不斷發出疼痛信號并將信號傳送至大 腦。只要蛋白激酶G處于“開”的狀態,疼痛就會一直持續。“關掉”蛋白激酶G,疼痛就會消除。 慢性疼痛是一種常見病癥,僅美國就有4800萬人飽受慢性疼痛折磨。目前尚沒有治療慢性疼痛的特效藥物,一些緩解疼痛的藥物則存在各種各樣的副作用。 普林斯頓大學科學家列爾溫伯格(音)和托馬斯申克(音)對啟動病毒自我繁殖的生化信號進行了研究。 艾滋病毒中Tat蛋白在啟動病毒自我繁殖的過程中具有重要作用。生化學家成功確定了病毒基因組中負責生成這種蛋白的基因片段。負責啟動病毒繁殖過程的另外

14、一部分是酶p300。這是由T淋巴細胞合成的。當這種酶與Tat蛋白結合在一起時，啟動艾滋病毒自我復制的生化信息就形成了。但在淋巴細胞中有一種酶能夠抑制Tat蛋白的合成。科學家發現負責艾滋病毒繁殖分子開關 這種酶叫作SirT1。相應的，這種p300和SirT1之間的平衡可以被認為是負責艾滋病毒繁殖的分子開關。 科學家特別指出，目前還不能過早的高興，首先，因為科學家們確定的還不是病毒繁殖過程的所有參與者；其次，他們的研究還是純粹的基礎性研究。但是，這項研究可以成為艾滋病治療的基礎。科學家發現負責艾滋病毒繁殖分子開關 分子存儲器是指用來存儲信息的量子化體系。分子水平上的存儲是通過具有雙穩態或多穩態特性

15、的分子材料實現的。在一定電場的作用下，這種材料可從原來的絕緣態直接躍遷為導電態，相當于計算機存儲器中的“0”“1”兩種狀態；用來“寫入”信息的工具就是電場。目前發現的分子存儲器的機制有：分子內或分子間的氫轉移，二聚化反應，順-反異構，電荷轉移，苯-醌轉變。研究分子存儲器的目的是在很小的面積上采用各種加工方法制作高密度的存儲器。分子存儲器 即使當今存儲密度最高的硬盤，要想保存一比特的信息也需要大約100萬個磁性原子，而位于加州圣何塞的IBM Almaden研究中心已經成功地在一個單獨的原子上保存了一比特信息。 IBM蘇黎世研究實驗室則拿出了分子開關，有望取代當今的硅芯片技術制造超微型的處理器，一

16、臺超級計算機的體積也許只會相當于一粒塵埃。 IBM稱，單原子存儲技術實用后可以得到超高密度的存儲設備，至少相當于目前硬盤的1000倍，可以在一部iPod的體積內存儲3萬部全尺寸電影。IBM展示單原子存儲、分子開關 IBM Almaden研究中心掃描隧道顯微鏡實驗室主管Andreas Heinrich介紹說：“我們已經可以測量出單個磁原子具有同樣的(磁各向異性)屬性，然后讓另一個原子靠近它，看看對(第一個原子的)磁各向異性有何影響，由此開發出一種具備超高存儲密度的新型材料。” IBM將在室溫條件下測量不同類型原子的磁各向異性，以求獲得一種穩定的高密度存儲材料，用于生產商用硬盤產品。IBM科學家C

17、yrus Hirjibehedin表示：“我們的下一步行動就是研究如何讓一種特定的磁原子固定在特定的表面上，使之有能力維持磁性取向，并且能夠在不同狀態之間轉換，然后我們就能使之飛快旋轉。我們希望能在未來幾年內展示這種穩定的媒介材料。” 分子開關技術方面，Heinrich表示：“自從發明半導體技術以來，我們一直依賴縮小它們的尺寸來改善性能，但電子的波長是10納米左右，所以半導體工藝的改進是有極限的，不可能達到單個原子的層次。如果你想在原子層次進行計算或者傳輸數據，就必須尋找一種替代半導體的方法，而這就是我們蘇黎世實驗室所要做的：設計一種全新的分子尺寸電路，有朝一日徹底取代硅電路和銅線。” IBM

18、展示單原子存儲和分子開關 兩個十字形的分子開關可以通過重定向開關中間的氫原子(白色顆粒)來打開或關閉 整流器的作用是將交流信號轉換成直流信號。分子整流器是由有機給體、受體橋連而成的分子結構，能顯示類似p-n結特性的電流-電壓整流特性。分子整流器的需求來自兩方面：一是分子線路中無法用其他元件替代其整流作用，二是為了避免出現誤讀現象。分子整流器新型單分子整流器 中國科學技術大學的微尺度物質科學國家實驗室富勒烯單分子研究又獲重要進展。他們成功將富勒烯單分子中的一個碳原子用氮原子取代，并利用單電子隧穿效應，成功研制出僅由一個分子組成的新型單分子整流器。 這個分子器件有著和傳統單分子整流器不同的工作原理

19、，在重復性和可控性方面有著明顯的優勢。這是他們繼用單分子操縱手段實現由兩個富勒烯分子構成負微分電導二極管后又一重要研究進展。 利用單個分子構造具有特定功能的電子器件是納米電子學的重要研究方向之一。富勒烯分子是納米層次上的明星分子，由60個碳原子按足球狀構成，它的發現者被授予了1996年的諾貝爾化學獎。 近年來，科學家揭示了富勒烯分子在納米電子學領域的潛力，它被認為是未來分子器件的重要候選者之一。此次中國科技大學的研究工作從氮置換富勒烯分子以引入特殊性質的摻雜能級的新思路出發，為富勒烯分子在納米電子學和分子器件方向的應用揭示了新的前景。分子整流器示意圖 具有單向導電性能的整流器是微電子學中最重要

20、、最基本的器件單元。納米整流器的研究對納米電子學的實現具有重要的科學意義和潛在的應用背景。 中國科學院化學研究所有機固體重點實驗室劉云圻研究員合成了具有D-A結構的有機分子，制備了多種一維納米結構，利用LB技術和STM技術組裝了分子整流器，利用具有分子內納米結的碳納米管和串珠狀碳納米管制備了納米整流器。組裝了邏輯電路和制備了場效應晶體管。在開啟電壓、整流比、場效應遷移率等方面取得了突破。由單根具有C/CNx 納米結的多壁碳納米管制備的納米整流二極管。 a、b竄珠狀碳納米管半導體納米球異質結構；c 利用單根異質結構制作的Schottky二極管。 分子開關可解決微流體器件粘連難題 分子場效應管 場

21、效應管（FET）是通過外加電壓產生電場改變導電溝道的寬窄以控制截流子運動的一種有源器件。它既有開關作用、又有增益功能，維持電路中電信號正常的電平（工作電壓），在計算機中起著非常關鍵的作用。典型的有機場效應管的結構包括電極（柵極、源極、漏極）、絕緣層、半導體層。當柵極有一定電壓時，會產生垂直半導體層的電場，在源極和漏極之間的半導體層中形成導電溝道，在一定漏極電壓下源極和漏極之間就有電流通過。通過調節柵極電壓，就可改變其產生的電場強度，從而影響半導體層中導電溝道寬度和流經源極、漏極的電流。DNA場效應管傳感器的分子設計 分子生物學技術的迅速發展，給臨床醫學診斷以巨大的影響，與疾病相關的DNA片段的

22、檢測即“基因診斷”成為一種新興的臨床診斷方法，加之本世紀內能與阿波羅登月計劃媲美的人類基因組計劃的完成和其它相關技術的發展，使基因診斷技術不斷提高，日臻成熟。 目前，基因診斷均采用PCR技術，它以其簡便、快速、靈敏的優勢，成為臨床診斷的技術熱點，但是PCR技術存在急需解決的二大問題：一是不能定量，二是污染所致的假陽問題。 近年來，生物傳感器飛速發展，人們把生物技術與現代物理、化學、微電子學技術結合起來，研制了各種各樣的生物傳感器，從酶傳感器發展到抗原(抗體)傳感器，乃至基因(DNA)傳感器。 DNA傳感器的出現使對目的DNA的測量時間大大縮短，操作簡便，無污染，既可定性，又可定量。且靈敏度高、

23、選擇性好，顯示出誘人的發展前景。 研究以場效應管傳感器為基體傳感器，通過設計場效應管柵區自組裝單分子膜技術，設計雜交指示劑，建立DNA場效應管傳感器制備方法，為臨床醫學基因診斷技術提供新方法、新器材。 DNA場效應管傳感器由敏感元件、加熱元件、測溫元件等集成而成。 敏感元件有漏極(D)、源極(S)和柵極(G，生物敏感柵)組成，測溫元件為測溫二極管。工作原理 DNA場效應管傳感器對靶DNA的選擇測定，即定性機理是基于分子雜交技術。 在場效應管的柵區，固定一條含有十幾到上千個核苷酸單鏈DNA(ssDNA)，通過分子雜交，達到對另一含有互補堿基序列DNA的識別，形成雙鏈DNA(dsDNA)，待測分子

24、含量通過換能器表達出來。分子閘流管 分子閘流管的作用相當于普通固體器件中的可控硅，可以使用具有非易失性（信號一旦寫入，能夠持續很長時間）的電雙穩態材料制成。在分子兩端加上電壓U，當U小于閾值電壓Vt時，器件處于阻抗很高的“關閉狀態”（相當于正向阻斷）；然后加上適當的直流控制電壓du使U+duVt時，器件迅速轉換到低電壓、大電流的導通狀態。由于選用的是具有非易失性的材料，故此后控制電壓就失去作用，器件要在其他條件下才能再恢復到關閉狀態。與傳統的可控硅相比，分子閘流管用于脈沖電路和控制器系統時，具有響應速度快、功耗低、動態電阻小的優點。分子導線 用來將分子器件連接起來的有機分子稱為分子導線。它能夠

25、連接一個個分子，將分子器件相互連接起來構成分子電路，把分子器件連接到外部世界。有效的分子導線是實現分子器件之間及分子器件與外部連接的關鍵單元。分子導線可分為兩類：一類是在高分子鏈方向形成共軛雙鍵結構，導電方向是鏈方向；另一類是在某種平面分子晶體中，分子面互相堆砌成柱狀結構，其導電方向是分子柱的堆砌方向。基于分子導線化合物(DTDT)熒光法測定廢水中Cr()外電場作用下寡聚苯分子導線的性質電場作用下分子導線的理論研究 分子導線:半導體性-金屬性組合的雙壁納米碳管 分子導線聚合物在氰根陰離子檢測中的應用研究 #$ %&%(%)*復合體系對氰根陰離子的熒光響應室溫下%&%的最大激發和發射峰分別為+$

26、和+,$-.#將%)*加入到%&%溶液中/%&%的熒光被有效猝滅0圖$插圖1/這說明%)*與%&%通過配位作用形成了%&%(%)*復合物/從而使%&%熒光猝滅#再向上述復合物體系中加入不同量的23/發現%&%的熒光隨23加入量的增加而逐漸恢復0圖$1#分子馬達 分子馬達的概念起初源于生物界，是對一大類廣泛存在于細胞內部、能夠把化學能直接轉換成機械能的酶蛋白大分子的統稱。自然界（如生物體中）存在許多天然的分子馬達，例如在肌肉纖維組織、鞭毛組織和纖毛組織中，只有通過分子馬達才能將化學能（無規則的熱運動）轉化為動能（協調一致的機械運動）。迄今為止，人類已在自然界中發現了上百種分子馬達；而且實驗發現，一些分子馬達的能量轉換效率幾乎接近100%。分子器件要進入實用階段，離不開能量傳遞，也需要分子級的微小馬達分子馬達。 分子電子學中的分子馬達是指分子水平（納米尺度）的一種復合體系，是能夠做機械功的最小實體。其驅動方式是通過外部刺激（如采用化學、電化學、光化學等方法改變環境）使分子結構、構型或構像發生較大變化，并保證這種變化是可控和可調制的，而不是無規則的，從而使體系具備對外做機械功的能力。由于設計思路的多樣性和分子的復雜性，分子馬達也有許多部件，如分子轉子、分子傳動裝置、分子開關、分子梭、分子轉門、分子棘齒、分子滑環和分子鏈環等。盡管科學家們已用人工合成方法利用多個甚至是單個DNA分子制造出