本申請屬于電子器件，尤其涉及一種隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著電子工業(yè)工藝朝著微型化和集成化的方向快速發(fā)展，芯片的集成度越來越高，然而，在發(fā)展的過程中也面臨諸多物理規(guī)律上的挑戰(zhàn)，比如摩爾定律無法進(jìn)一步指導(dǎo)硅基電子的工藝發(fā)展。分子電子創(chuàng)造性的使用單個分子或者單層分子膜作為器件的組成部分，并應(yīng)用于隧穿領(lǐng)域，打破了傳統(tǒng)硅基器件的微縮化技術(shù)瓶頸，在相關(guān)領(lǐng)域得到快速的發(fā)展。

2、為實(shí)現(xiàn)分子在電子電路中的應(yīng)用，需要將分子穩(wěn)定的固定在電子電路中，形成有機(jī)分子和固態(tài)金屬的錨定連接。在分子電子的發(fā)展進(jìn)程中，自1974年提出的分子二極管概念以來，許多功能性的分子器件得到證實(shí)和制備，也衍生出了一系列構(gòu)建分子尺度隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)的方法，如，掃描隧道顯微鏡裂結(jié)技術(shù)，機(jī)械可控裂結(jié)技術(shù)，原子力顯微鏡裂結(jié)法，微納加工技術(shù)等均能實(shí)現(xiàn)單個分子和電極鏈接。與此同時，單層分子膜的電學(xué)測量技術(shù)也得到了快速發(fā)展，對分子隧穿結(jié)的構(gòu)建以及分子本身的物化特性的研究具有重要價值。

3、在現(xiàn)有的電極-分子-電極體系中，金、銀、鉑等金屬電極是較為常見的金屬電極，然而這類金屬電極在特定體系中存在有局限性，比如與現(xiàn)有的硅基半導(dǎo)體技術(shù)在工藝上的不兼容性，導(dǎo)電光學(xué)器件的通用性差以及貴金屬的成本因素。因此，探索新型電極材料，實(shí)現(xiàn)分子隧穿結(jié)器件的大規(guī)模應(yīng)用，對實(shí)現(xiàn)分子器件的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請的目的在于提供一種隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法，旨在解決金屬電極與半導(dǎo)體硅之間兼容相差的問題。

2、本申請的另一目的在于提供一種含有該隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)的隧穿分子器件，旨在解決現(xiàn)有的導(dǎo)電光學(xué)器件成本高、通用性差的問題。

3、本申請的另一目的在于提供一種基于隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能的測試方法，旨在解決如何測量大面積分子結(jié)的電流密度。

4、為實(shí)現(xiàn)上述申請目的，本申請采用的技術(shù)方案如下：

5、第一方面，本申請?zhí)峁┮环N隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)，包括相對設(shè)置的第一電極和第二電極，以及設(shè)置在第一電極和第二電極之間的含巰基的自組裝單分子層，第二電極包括硅襯底以及設(shè)于硅襯底表面的金膜層，金膜層位于硅襯底與自組裝單分子層之間，第一電極的材料包括鎵銦液態(tài)金屬。

6、第二方面，本申請?zhí)峁┮环N隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，包括以下步驟：

7、提供硅襯底，在硅襯底表面沉積金膜層，得到第二電極；

8、將含有巰基官能團(tuán)的分子以自組裝的形式在金膜層的表面形成自組裝單分子層；

9、在自組裝單分子層表面設(shè)置鎵銦液態(tài)金屬第一電極，形成本申請隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)。

10、第三方面，本申請?zhí)峁┮环N隧穿分子器件，包括本申請隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)和/或本申請隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法構(gòu)建的隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)。

11、第四方面，本申請?zhí)峁┮环N基于該隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能的測試方法，包括以下步驟：

12、將電極引線的一端連接在第一電極上，將電極引線的另一端連接在第二電極上，構(gòu)成閉合回路；

13、對閉合回路施加電壓，獲得電流隨電壓變化的信號，并收集多個電流-電壓曲線；

14、對電流-電壓曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，獲取所述隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能。

15、本申請第一方面提供的隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)，以鎵銦液態(tài)金屬為第一電極，以設(shè)有金膜層的硅襯底為第二電極，以含有巰基官能團(tuán)的分子作為分子導(dǎo)體，由此形成了鎵銦液態(tài)金屬-分子-金/硅摻雜電極不對稱隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)。該不對稱隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)的電流電壓曲線具有明顯的整流特性，實(shí)現(xiàn)了金屬電極與硅半導(dǎo)體的有效結(jié)合，得到了基于含巰基官能團(tuán)分子導(dǎo)線的分子二極管器件。

16、本申請第二方面提供的隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，首先在硅襯底表面沉積金膜層，然后在金膜層表面以自組裝的形式制備含巰基的自組裝單分子層，然后在該自組裝單分子層表面形成鎵銦液態(tài)金屬電極，金膜層的存在使得電子電流在金屬半導(dǎo)體結(jié)中的傳輸依賴于電子的能量勢壘，即肖特基勢壘，同時金原子會擴(kuò)散到襯底硅表面，有利于金摻雜和深層陷阱的形成，這使得基于含巰基分子體系的分子結(jié)產(chǎn)生特殊的電學(xué)性能成為可能，從而有效構(gòu)建了鎵銦液態(tài)金屬-分子-金/硅摻雜電極不對稱隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)。

17、本申請第三方面提供的隧穿分子器件，含有本申請構(gòu)建的不對稱隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了金屬電極與硅基半導(dǎo)體的有效結(jié)合，提高了導(dǎo)電光學(xué)器的通用性。

18、本申請第四方面提供的電學(xué)性能的測試方法，可以獲得含有鎵銦液態(tài)金屬電極的大面積分子結(jié)的電流密度分布特性。

技術(shù)特征：

1.一種隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括相對設(shè)置的第一電極和第二電極，以及設(shè)置在所述第一電極和所述第二電極之間的含巰基的自組裝單分子層，所述第二電極包括硅襯底以及設(shè)于所述硅襯底表面的金膜層，所述金膜層位于所述硅襯底與所述自組裝單分子層之間，所述第一電極的材料包括鎵銦液態(tài)金屬。

2.如權(quán)利要求1所述的隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述自組裝單分子層的材料的化學(xué)式為ch3(ch2)nsh，n為9～16。

3.如權(quán)利要求2所述的隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述自組裝單分子層的材料包括1-硫代癸烷、1-十二烷基硫醇和1-十四烷基硫醇中的至少一種。

4.如權(quán)利要求1所述的隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一電極與所述自組裝單分子層的接觸面呈圓形，所述接觸面的直徑≤50μm。

5.如權(quán)利要求4所述的隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一電極與所述自組裝單分子層的接觸面的直徑為12.5μm～50μm。

6.如權(quán)利要求1～5任一項(xiàng)所述的隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一電極呈圓錐形，所述圓錐形的尖端朝向所述自組裝單層分子層，所述圓錐形尖端的直徑為12.5μm～37.5μm。

7.如權(quán)利要求1～5任一項(xiàng)所述的隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金膜層的厚度為20nm～200nm；和/或

8.一種隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟：

9.如權(quán)利要求8所述的隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，其特征在于，將含有巰基官能團(tuán)的分子以自組裝的形式在所述金膜層的表面形成自組裝單分子層的步驟包括：

10.一種隧穿分子器件，其特征在于，包括如權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)所述的隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)和/或如權(quán)利要求8～9任一項(xiàng)所述的隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法構(gòu)建的隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)。

11.一種基于權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)所述的隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能的測試方法，其特征在于：包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本申請涉及電子器件技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法和應(yīng)用，該隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)，包括相對設(shè)置的第一電極和第二電極，以及設(shè)置在第一電極和第二電極之間的含巰基的自組裝單分子層，第二電極包括硅襯底以及設(shè)于硅襯底表面的金膜層，金膜層位于硅襯底與自組裝單分子層之間，第一電極的材料包括鎵銦液態(tài)金屬。本申請?zhí)峁┑牟粚ΨQ隧穿分子結(jié)結(jié)構(gòu)具有明顯的整流特性，實(shí)現(xiàn)了金屬電極與硅半導(dǎo)體的有效結(jié)合。

技術(shù)研發(fā)人員：郭永新,王芳煒,張騫,陶舒暉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：新加坡國立大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/10