[发明专利]基于硅-分子复合体系单分子负微分电阻器件及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子器件技术领域，尤其是一种基于硅-分子复合体系的单分子负微分电阻效应(NDR，Negative Differential Resistance)器件及其制备方法，可用于高频的开关振荡器以及锁频电路等。

背景技术

近几十年半导体器件已由最早的电子管发展至当今的大规模集成电路。但随着人们对信息处理的高速度、高容量需求，传统的半导体器件已经很难满足这些需求。因此，寻找更新、更稳定、更强大的电子器件已经成为电子信息技术迫切需要考虑和解决的问题。近些年的研究也发现一些具有确定空间结构和电子结构的大分子具有特殊的电输运性质，而这类器件的出现将大大弥补基于半导体材料所设计出的器件的不足，有望成为下一代用于高性能电子线路的主要元器件。

分子器件的种类很多，其中包括具有开关效应或者整流效应的分子器件。近些年虽然分子器件的性能在实验上得到很好的体现，但是距离实际的应用还有很多的瓶颈，主要包括在工业制备上的困难，以及如何发展性能更多、稳定性更好的功能性分子器件。近些年来通过在硅表面组装有机分子构造所得到的分子器件具有很多优异的性质(参见文献D.Vuillaume，Molecular Nanoelectronics.Proceedings of the IEEE，2010，98，2111-2123)，然而当前这类硅-分子器件是通过单独考虑硅衬底或吸附分子的物理性质所设计制造的器件，其性能的稳定性易受外界的干扰。而本发明所涉及的分子器件正是将二者的物理性质相互结合所研制出的。

基于负微分电阻效应制作出来的分子器件是比较有代表性的一种(参见文献N.P.Guisinger et a1.Room Temperature Negative DifferentialResistance through Individual Organic Molecules on Silicon Surfaces.NanoLetters，2004，4，55-59)。负微分电阻最早是在重掺杂的p-n结中发现(参见文献L.Esaki，New Phenomenon in Narrow Germanium p-n Junctions.Phys.Rev.1958，109，603-604)，其I-V曲线表现为加正向电压时，电流随着电压的增大而减小。在随后的几十年里，人们用基于多层纳米薄膜结构的材料发展出了一系列具有负微分电阻效应的纳米器件。而随着扫描隧道显微技术的发展，人们可以在原子或分子尺度下研究单个分子或团簇的负微分电阻效应。负微分电阻主要是在单隧穿层和双隧穿层系统中产生。在单隧穿层系统里，负微分电阻产生的原因主要是扫描隧道显微镜的针尖和样品中存在非常尖锐的局域态密度所致，而针尖上的尖锐态可以通过吸附分子或团簇实现(参见文献P.Bedrossian et al.Demonstration of the tunnel-diodeeffect on an atomic scale，Nature，1989，342，258-260)。而双隧穿层系统较为复杂，需要使针尖和样品以及样品和衬底之间都存在隧穿层才可能导致负微分电阻效应(参见文献T.Rakshit et al.Silicon-based MolecularElectronics Nano Letters，2004，4，1803-1807)，而本发明所涉及的分子器件正是利用第二种负微分电阻的产生机理所设计的。