[发明专利]一种基于局域阳离子调控的可逆单分子开关

说明书

本发明公开一种基于局域阳离子调控的可逆单分子开关，属于分子电子学技术领域。本发明基于电化学扫描隧道显微镜裂结技术，通过控制电位改变界面双电层中局域阳离子的分布，从而影响羧酸分子状态，以此调节羧酸分子与金针尖的接触作用，实现单分子开关；所述电位为‑0.5‑0V。本发明证实了电化学界面局域阳离子对羧基分子的影响，为通过栅电极实现可逆单分子开关实际应用开辟了新的途径。

技术领域

本发明属于分子电子学技术领域，具体涉及一种基于局域阳离子调控的可逆单分子开关。

背景技术

随着对电子器件微型化需求的不断增加，使用化学性质相同的分子作为功能元件已经成为纳米科学的一个蓬勃发展的分支领域。由于分子开关在信息存储、逻辑数据处理和信号处理中起着关键作用，因此构建可靠的分子开关是重要的一步。在过去的三十年里，设计单分子开关的常用方法是使用具有刺激-响应的分子骨架，利用外部刺激如光、力学、pH值、化学反应物、磁和电，通过改变分子构象或者自旋/氧化还原状态。然而，这通常需要复杂的有机合成来获得具有刺激响应分子骨架，目前这种方式分子开关报道的开/关比较小，且大多数外部刺激方法不能应用于全电驱动的电路组件。另一方面，分子-金属接触作用也可以显著影响电子传输。在保持分子主干不变的情况下原位控制分子-电极接触作用充满挑战，电化学方法可以利用施加电位有效地改变电极表面的电荷状态，调节界面双电层离子的分布，进而影响羧基与金属电极的相互作用。基于此，通过电化学调节电极界面双电层中外亥姆霍兹层的局部离子类型，来控制电极与羧酸分子连接，这为实现可逆的高性能单分子开关提供了一种新的思路。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于局域阳离子调控的可逆单分子开关，通过电位调控电极界面外亥姆霍兹层中离子类型，从而控制分子与针尖间接触作用达到电导值突变，实现单分子开关。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种基于局域阳离子(Na⁺，K⁺，Ca²⁺，Mg²⁺)调控的可逆单分子开关，基于电化学扫描隧道显微镜裂结技术(EC-STM-BJ)，以金属金为基底，以含有羧基的化合物为目标分子，通过控制电位改变界面双电层中局域阳离子的分布，从而影响羧酸分子状态，以此调节羧酸分子与金针尖的接触作用，实现单分子开关；

所述电位为-0.5-0V。

进一步地，含有羧酸分子的溶液是以4-甲硫基苯甲酸为目标分子在高氯酸盐水溶液中配制而成，溶液中阳离子为Na⁺、K⁺、Ca²⁺或Mg²⁺。

进一步地，所述金的纯度≥99.999％。

本发明还提供一种所述的基于局域阳离子调控的可逆单分子开关的制备方法，基于电化学扫描隧道显微镜裂结技术，以金属金为基底，以含有羧基的化合物为目标分子，通过控制电位改变界面双电层中局域阳离子的分布，从而影响组装在金基底上的羧酸分子状态，以此调节羧酸分子与金针尖的接触作用，实现单分子开关；所述电位为-0.5-0V。

进一步地，所述基于局域阳离子调控的可逆单分子开关的制备方法具体如下：

在电解池底部安装金基底，在扫描隧道显微镜(STM)的扫描头上插入金针尖，以金(111)基底为工作电极，以铂为对电极和参比电极，将含有羧酸分子的溶液倒入电解池中，分别控制电位为-0.5V和0V，待整个装置稳定时开始测试；

设置扫描隧道显微镜偏压为50mV，控制金针尖逼近金(111)基底达到预设的电流值8nA，再施加一个脉冲电压让针尖与基底软接触后以20nm/s的速度远离金基底，再此期间采样卡以20kH收集电导-距离曲线。循环上述过程数千次即可得到打大量的的电导-距离曲线用于绘制一维电导统计图，进而得到单分子结电导值。通过两个电位间循环跳跃达到分子与金针尖间通断路，实现稳定的单分子开关，即得到基于局域阳离子调控的可逆单分子开关。