以石墨烯修饰的AFM针尖构建分子结

随着半导体工业的发展,微电子器件小型化的趋势更加迫切。以硅为材料基础的微电子工业在过去几十年里发展迅速,然而相应的超大规模集成电路的发展已迅速接近物理极限和工艺极限,终有一天会不再满足Moore定律。1971年,Mann和Kuhn首次证明了基于单分子层的隧穿传输性质。1974年,Aviram和Ratner首次在理论上提出了单分子整流二极管这一概念,他们设计了一种具有给体-架桥-受体(donor-bridge-acceptor) 结构的分子,这种分子两端连上电极就能起到半导体p-n结的作用。正是这两个里程碑式的工作,使得人们认识到发展分子器件或许就是解决微电子发展瓶颈的出路。

作为有机分子电子器件的重要基本单元,分子结 (molecular junction) 是目前分子器件领域的研究热点。分子器件中的有机/金属界面性质十分复杂,它包括了很多不必要的接触因素,如隧穿势垒,界面偶极现象和接触处的分子无序性等。这些接触效应不利于构建具有可重复传输行为的稳定分子结,是目前分子器件研究中的挑战。

最近,中科院化学所刘云圻教授课题组通过化学气相沉积法首次制备出多层石墨烯修饰的导电原子力显微镜针尖(conducting probe atomic force microscopy tip)。研究人员发现借助这种多层石墨烯导电AFM针尖,相比于传统的金导电针尖,能够获得高性能的,重复性高的分子结。通过对硫醇分子结的电荷传输行为的表征,研究人员发现由石墨烯修饰的针尖构建的硫醇分子结的电阻差异性只有2左右,而金导电针尖测得的硫醇分子结的电阻差异性最大达到了3个量级。结果表明石墨烯修饰针尖有利于降低金导电针尖上的污染程度,从而得到重现性良好的分子结。研究人员发现石墨烯修饰的针尖具有优异的物理稳定性。相比于金导电针尖,石墨烯修饰的针尖不易磨损,连续操作12小时后,分子结的电流无明显变化。同时,研究人员还通过实验证明石墨烯修饰针尖的化学稳定性也十分出色,抗氧化性相比于金导电针尖显著提高。这些结果都进一步证明了石墨烯修饰的针尖可以作为一种研究分子结电学性质的有效工具。相关研究成果发表在Advanced Materials 期刊上。