专利名称：单分子电子器件的制作方法
背景技术：
发明领域本发明意在提供一种单分子电子器件。具体言之，本发明意在提供一种单分子晶体管和用分子晶体管提供开关操作和功率增益的单分子数字逻辑结构。更具体言之，本发明意在给分子二极管加上一个分子栅结构，其中所述二极管也经过了化学掺杂。所述分子栅结构是通过另一个绝缘基团与邻近于相应的掺杂基团的分子二极管键合而形成的，所述掺杂基团受外加到所述栅结构上的电势影响。将一导电配位体键合到这第二个绝缘基团上，使它能利用外加电压进行充电，从而影响二极管的本征偏压，由此控制器件的“开”和“关”。更进一步说，本发明意在提供一种分子晶体管，其中控制开关所需的功率大大低于被开关的功率，因此所述晶体管显示出功率的增益。本发明还涉及由单分子二极管-二极管逻辑电路与具有功率增益的单分子反相器组合构建的单分子逻辑门。
已有技术在过去四十年里，随着电子计算机的基础亚单元——晶体管体积的缩小，它的功能越来越强大。可是，量子力学原理和制造技术上的限制很快就会妨碍今天的常规场效应晶体管在尺寸上继续减小。很多研究者预计，在未来的10到15年里，随着大批量生产的晶体管的最小特征尺寸从现在的约100-250纳米线宽进一步减小，器件制造将变得更加困难，成本也将更高。此外，它们在超高密度集成电路中也很难再有效发挥其功能。为了使电路元件继续微小化到纳米级甚至分子级，研究人员已经着手为超高密度电路探索若干种替代固态晶体管的途经。但是，与今天以宏观物质中大量电子的移动为基础运行的FET不同，新器件利用了发生在纳米量级上的量子力学现象。
有两大类纳米电子开关和放大器(1)固态量子效应和单电子器件；(2)分子电子器件。
这两类器件都利用了开始在纳米量级上控制电子动力学的各种量子效应。尽管固态量子效应和单电子器件的设计新颖，研究者已经能够在50年宏观半导体工业经验的基础上开发、制造几个前景可观的新型器件，并应用于电路中。这种固态量子效应器件改变了超微电子开关的工作原理，但它们依然具有难解的问题，即它们所依赖的纳米级结构必须从无定型或晶态固体“雕刻”出来。
分子电子学是一个比较新的方法，它能同时改变电子器件的工作原理和所用材料。作这种带根本性改变的动机是分子本身就是纳米级结构。不像由大块固体制造的纳米结构，制成的分子是相同的，而且其制备廉价而方便，这正是超高密度计算机的工业规模生产所需要的。有待攻克的两个重要挑战是(1)设计可用作具有功率增益功能的电子开关的分子结构，(2)将这些分子组装成计算和控制用途所需要的更复杂的电路结构，并且在这些用途中提供增益，使得这样制成的器件具有可付诸应用的“扇出”功能。
众所周知，二极管是双端开关，能使电流处于“接通”或“断开”的状态。新近开发的两类分子量级电子二极管是(1)整流二极管，(2)共振隧道二极管。
这两类二极管都依靠外加偏压驱使电子在外加电势达到预定大小时通过一个或多个势垒。
已经开发了一种分子共振隧道二极管(RTD)，它以一定方式利用了能量的量子化，使得二极管源极和漏极接点之间的偏压大小能够“打开”和“关闭”由源极流向漏极的电流。
图1A所示为James M.Tour合成，Mark A.Reed于1997年阐释的分子共振隧道二极管。从结构和功能上看，该器件是类似于大得多的固态RTD的分子，所述固态RTD是过去10年大量生产的III-V半导体。基于分子导线骨架，如图1A所示，Reed和Tour的聚亚苯基分子RTD 11’是通过把两个脂肪性亚甲基基团16’插入单苯环13’任一边的分子导线12中而制备的。由于脂族基团16’的绝缘性质，它们对于电子流动起着势垒30和32的作用，如能量图1B和1C所示。脂族基团使它们之间的苯环13’成为约0.5纳米宽的狭“岛”，而电子必须通过此“岛”才能穿过该分子导线全程。
如图1B所示，如果分子上的偏压产生了具有动能的输入电子，而该动能不同于岛上势阱内未占量子能级的能量，那么电流是不会形成的，RTD就“切断了”。但是，如果调整偏压，使输入电子的动能等于一个内部能级的能量，如图1C所示，那么势阱外电子的能量据称能与势阱内允许能量发生共振。在此情况下，电流就能流过该器件，这被称作“接通”状态。
法国专利公开#2306531介绍了一种可用于放大的分子开关器件。导体通过其环间相邻的双连接或双键的链形成，并且在两个消散区域封端。不过，所述文献中的器件的工作原理大体上类似于体效应半导体，而不是只有在单个分子中才能实现的效应，例如，能为外加电势所逆转的至少一种掺杂的效应。
PCT公开#WO97/36333介绍了一种利用控制电极来控制在器件输入端和输出端之间流动的隧道电流的隧道器件。该器件基于可控相关电子隧穿的原理。该文献还建议用这种器件建立单电子逻辑电路。
发明概述本发明提供了一种单分子电子器件，它包含多条通过至少一个绝缘基团化学连接在一起的分子导线。所述多条分子导线中的至少一条与所述掺杂取代基化学相连，形成绝缘基团上的本征偏压。第二个绝缘基团与连接在所述掺杂取代基上的分子导线化学连接。一个导电配位体化学连接到此第二个绝缘基团上，形成具有功率增益功能的单个分子。使第二个绝缘体充分接近于掺杂取代基，以便通过加在导电配位体上的电势影响本征偏压。本发明单分子电子器件的形式可以是反相器电路，其中第三个绝缘基团化学连接到所述多条导线的第二条上，并且有多个连在一起的芳环结构化学连接到所述第三个绝缘基团上。
从另一个角度看，本发明意在提供一种具有功率增益功能的单分子电子器件。所述单分子电子器件包含至少一条分子导线，所述导线包含多个连在一起的基本上相同的芳环结构。键合在一对相应芳环结构之间的至少一个第一绝缘基团将分子导线分成了两个部分，第一个部分与第一电接点连接，第二部分与第二电接点连接。对此两个部分中的至少一个部分进行掺杂，形成电子给体部位和电子受体部位中的至少一个。一个分子栅结构化学连接到所述第一和第二部分中的一个部分上，充分接近于掺杂基团，以便通过加在栅结构上的电势影响所述第一和第二部分间通过掺杂基团形成的本征偏压。所述分子栅结构连接到第三个接点上，以便连接到外加电源上。
从又一个角度看，本发明意在提供一种包含基于聚亚苯基的导线的单分子晶体管，所述导线具有多个连在一起的分子环结构和至少一个键合于一对相应分子环结构之间，将导线分成两个部分的绝缘基团。所述单分子晶体管还包含一个键合到所述导线一个部分的至少一个分子环结构上的第一掺杂基团，以形成一个相应的电子给体部位。键合到另一部分的至少一个分子环结构上的第二掺杂基团形成电子受体部位。第二绝缘基团化学连接到靠近第一和第二掺杂基团之一的位置上，而导电配位体键合到第二绝缘基团上，往其上耦合电荷，以改变所述第一和第二掺杂基团形成的本征偏压。
再从另外一个角度看，本发明意在提供一种由分子二极管形成的单分子电子器件，所述分子二极管至少具有一个势垒绝缘基团，它化学连接于一对分子环结构之间，形成二极管的两个部分。至少一个掺杂基团化学连接于二极管这两个部分中的一个。分子栅结构化学连接于二极管的一个部分上，而在该部分上化学连接有至少一个掺杂基团，以影响由至少一个掺杂基团形成的本征偏压。
因此，本发明的一个目的是提供具有功率增益功能的单分子开关器件。
本发明的另一个目的是在掺杂分子二极管上加上一个栅结构，形成起晶体管作用的单分子，从而提供一种具有功率增益功能的电子开关器件。
本发明还有一个目的是提供一种起反相器作用的单分子晶体管电路。
此外，本发明的一个目的是提供布尔逻辑功能，它是将分子二极管-二极管逻辑结构与分子反相器连在一起提供特定的布尔功能，同时提供功率增益。
本发明的上述以及其他优点和新颖特征，由下面结合附图的详细描述将变得一清二楚。
附图简述图1A、1B和1C是Reed和Tour所阐释的分子共振隧道二极管的结构和工作示意图。
图2A是分子整流二极管的示例图。
图2B、2C和2D分别是当分子外加偏压为“正向”、“逆向”和“零”时，基于聚亚苯基的单分子整流二极管(图2A所示)的轨道能级示意图。
图3A是本发明三端分子开关器件在栅处于未充电状态时的示例图。
图3B是图3A所示三端器件的轨道能级示意图。
图3C是本发明三端分子开关器件在栅处于充电状态时的示例图。
图3D是图3C所示三端器件的轨道能级示意图。
图4A是本发明一个可选构型实例的示意图。
图4B是图4A所示三端开关器件的轨道能级示意图。
图4C是图4A所示带充电栅结构的分子开关器件的示意图。
图4D是图4C所示三端开关器件的轨道能级示意图。
图5A、5B、5C和5d分别各是本发明三端开关器件的代表性分子结构示意图。
图6是本发明三端分子开关器件的可选实例的示意图。
图7A是使用了键合有掺杂基团和分子栅结构的分子共振隧道二极管的本发明三端开关器件的示例图。
图7B是使用了键合有掺杂基团和分子栅结构的分子共振隧道二极管的本发明三端开关器件的另一个可选实例的示意图。
图8A、8B和8C分别是反相器的电路示意图、本发明反相器的代表性分子结构示意图和本发明基于聚亚苯基的分子反相器的示例图。
图9A和9B分别是本发明反相器的可选代表性分子结构示意图和图9A所示反相器的基于聚亚苯基的分子结构示例图。
图10A和10B分别是与非门的电路示意图和本发明基于聚亚苯基的分子与非门的示例图。
图11A和11B分别是异或非门的电路示意图和本发明基于聚亚苯基的分子异或非门的示例图。
图12A和12B分别是半加器的电路示意图和本发明基于聚亚苯基的分子半加器的示例图。
优选实施方式详述参见图2A，所示为基于聚芳烃导线12的整流二极管分子结构11，所述导线12包含多个顺序键合且基本上相同的芳环结构13。这里所讲的分子导线是个单分子，它具有多个顺序和(或)平行键合或连接在一起的几乎相同的环结构，形成了导电分子链或网。“连接”的芳环是指其环相互之间一对一键合或多重键合，或者键合到中间碳原子或烃基上。术语“芳环”是指包含具有基本上芳香性的环分子结构，如杂原子插入并键合于其中的的环。这样的杂原子是指除碳之外的原子，例如选自周期表中第III、IV和V族的元素，像硼、硅或氮。分子导线可由苯、环戊二烯、环丙烯和它们的组合等类型的环形成。
单分子11有两个部分14和15，为R表示的绝缘基团16所隔开。分子11的部分14可以为Y表示的至少一个吸电子基团通过与之键合所掺杂。分子11的部分15为X表示的至少一个电子给体基团通过与之键合所掺杂。事实上，部分14和15中只有一个需要掺杂。通过X和Y中的至少一个相应掺杂基团与导线相应部分的一个或多个部位键合，可以将芳环连接到一起。绝缘基团和掺杂基团与导线的键合可以利用本领域熟知的常规插入反应和取代反应完成，可以独立进行，也可以用操纵技术结合进行，利用扫描隧道电子显微镜或其他纳米探针。此外，可以用绝缘基团16将两根导线“铰合”到一起，各根分别代表部分14和15中的一个部分。
如图所示，分子结构11表示一个完全包埋在基于聚亚苯基的分子导线12中的整流二极管。这里，苯环13通过次乙炔基三键19连在一起。所述次乙炔基三键19作为间隔基团插在环13之间，目的是消除键合于相邻环13的氢原子之间的空间妨碍效应。绝缘基团16是通过键合一个饱和脂族基团或相对于电子传输来说具有基本上脂族特性(没有π轨道)的基团而嵌入导线的。绝缘基团16的加入将导线分成两个部分14和15。部分14显示为经掺杂而形成电子受体部位，部分15经掺杂而形成电子给体部位。虽然只示出了一个电子给体部位和一个电子受体部位，但在所述结构的同一个环或相邻环中可以嵌入多个电子给体部位或电子受体部位，以调节绝缘基团16上的电压降。还应当指出，通过相应的掺杂基团17或18掺杂单个部分14或15，可以得到足够的电压降。导线的两个远端分别与接点相连。导线远端的取代基ω可分别改进上述连接的导电性，并与电接点化学相连。
比较图2A所示的分子结构11和图2B-2D中所示的势能图，可以看到，基本上位于分子11中部的绝缘基团16对应于势垒20。分子11与分子11两端的导电接点23和24之间还有势垒21和22，由具有在接点23、24的特定原子或分子结构中选择性连接特点的取代基ω形成。势垒20的作用是使所述结构不同部分之间维持一定程度的电绝缘性，要足以防止部分14和15的能级26、26’和25、25’达到平衡。但是，这些势垒中没有一个会宽或高到可以完全阻止电子在一定偏压下隧穿它们的地步。接点23、24的材料可以是金属或导电非金属，如巴基管。绝缘基团R可以是比聚芳链12绝缘性更大的任何基团。具有此作用的一些可选基团包括脂族基团，如σ键亚甲基(-CH2-)或二亚甲基(-CH2CH2-)。
如图2D所示，在中央势垒20的左边，由于电子给体基团18的存在(分子11的图中标记为X)，所有π键能级25的能量都升高了。这同时包括最高已占分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)。在可能的电子给体取代基中，下面是一些适合用来形成整流二极管的取代基的例子，这些取代基包括-NH2、-OH、-CH3、-CH2CH3等。
在现代分子量子力学的背景中，应当理解的是，在零外加偏压的情况下，键合在芳环上的电子给体基团倾向于使芳环电子密度增大，或者倾向于在多个X基团键合在数个共轭芳环上的部位使多个环的电子密度增大。这使得环结构或共轭环结构的分子轨道中的电子之间相互排斥力增加。在所述共轭环结构的情况中(中央势垒20的左边)，增加这种排斥作用就提高了总能量及其组成轨道的能量。
在中央势垒右边，由于吸电子基团17的存在(分子图中标记为Y)，所有π键能级的能量都降低了。这包括受体部位上的HOMO和LUMO。一些适合形成电子受体掺杂基团的吸电子取代基的例子包括-NO2、-CN、-CHO、-COR’等，其中R’是脂族链。吸电子基团17可以键合到环13上，或者多个吸电子基团17可以分别键合到数个共轭芳环13上。这些基团倾向于降低相应的环13上的电子密度，从而减少环结构或共轭环结构上电子之间的排斥作用。在零外加偏压下，这些受到削弱的排斥作用降低了中央势垒20右边结构的总能量及其组成轨道的能量。
在某种意义上，增加一个或多个掺杂取代基，为势垒20提供了“前偏压”。如图2D所示，即便外加偏压为零，分子11两个部分的轨道能级之间也存在这种前偏压或掺杂导致的轨道能级差。必须克服该前偏压，才能使电子隧穿势垒20，从电子受体掺杂部分流到电子给体掺杂部分。由导线部分的掺杂引起的电子受体LUMO的轨道能量(ED-LUMO)与受体最低能量轨道的轨道能量(EA-LUMO)之间的能差(ΔELUMO)使分子的整流二极管作用成为可能。通过将电子给体基团和吸电子基团同时分别键合到相应的导线部分，可以提高电子给体部分的π轨道25，降低电子受体部分的π轨道26，从而提高了本征偏压。前面讨论过，利用单个掺杂基团，或者电子给体基团或者电子受体基团，也可以得到为了使整流二极管发挥功能的足够能级差。
在外加偏压为零时，分子11中电子给体部分15的π键轨道25和电子受体部分14的π键轨道26上相对能量位置的诱导能差，为包埋在分子导线里的单分子整流二极管的工作原理提供了基础。这种整流二极管的工作原理在以下段落里将有详细描述。
图2B中，在图2A所示分子11上施加了正向偏压，其中接点24(左边接点)上电压高，接点23(右边接点)上电压低。在此偏压条件下，右边低压部分14的已占量子能级上的电子经诱导从右往左流过分子11，到达左边高压部分15。电子的流动是由外加偏压形成的能差导致的，电子被拉向施加了正电压的部分。
图2B、2C和2D中最左边和最右边间隔很近的水平线27代表每个接点上的已占量子能级。这些已占能级中最高能级(即费米能级)的能量，称为金属接点中为费米能量(EF)。施加正向偏压会提高低压接点费米能级的能量，而降低另一个接点费米能级的能量。那么，为了使从右往左的电子流动在正向偏压下能够发生，偏压差必须足以将接点23已占能级中电子的费米能量至少提高到与分子11中电子受体部分14的LUMOπ轨道的能量一样高。这与泡利不相容原理是一致的，因为在该分子的电子受体这半部分的低能量HOMOπ轨道已经被双电子占据，这些电子无法利用隧道效应到达左边，因而上述轨道不允许更多的电子进入。
不过，如果外加偏压提高了接点23的费米能级，使之达到或高于电子受体部分的LUMO能量，那么电子可以通过隧道效应从接点23立即进入左边的空LUMO。这样，电子可以利用隧道效应到达左边，再次穿过中央绝缘势垒20进入分子11中电子给体部分15的未占简并分子轨道。在分子整流二极管的阈值电压或“开通”电压以上，正向偏压充分降低了电子给体部分15的分子轨道能量，使这些轨道中的一个或多个与分子11中电子受体部分14的LUMO匹配，如图2B所示。
本领域的熟练技术人员将会理解，对于正向偏压的情况，为通过将接点23的费米能级提高到足以超过分子11中电子受体部分14的LUMO能量，而使电子开始流动所必须施加的电压不可能太大。这是因为电子受体部分14的所有能级都由于存在键合到部分14上的吸电子取代基而事先已经降低。
另一方面，当在分子11上施加逆向偏压时，使电子开始流动就不是这么容易的事情，如图2C所示。在加逆向偏压的情况下，接点23上电压高，接点24上电压低，右边接点24的电子一般不会从左往右通过分子11。为了使电子能够实际流过，逆向偏压必须达到足以提高接点24的费米能级，使之至少与分子11中电子受体部分15的LUMOπ轨道能量一样高。但是，在逆向偏压情况下，为了提高接点的费米能级，使之足以超过分子11相邻部分的LUMO能量，必须施加的电压要大大超过正向偏压的情况。这是因为键合到分子11中部分15的电子给体取代基18的存在，事先提高了电子给体部分15的全部能级。这样高的电压水平类似于常规半导体器件的反向击穿电压。
如图2C所示，反向施加的电压与正向(图2B)施加的一样大时，不足以使电子通过隧道效应从接点24进入分子11的LUMO能级。分子11具有不同的正向和反向偏压的特点确立了整流二极管的经典特征。
像图1A所示共振隧道二极管一样，上述整流二极管可用于构建布尔逻辑功能，用于纳米级数字电路。不过，这样的分子电子开关器件有着同样的主要缺陷，它们缺乏提供功率增益的能力。
为了实现功率增益，需要三端器件，在控制电极上施加比较小的电压和(或)电流，用以影响该器件其他两极间比较大的电压和(或)电流的开关过程。具体是，通过在分子二极管的栅结构上键合一个栅结构，形成新的具有电控开关和放大器功能的单分子，可以形成分子共振隧道二极管。图3A和3C所示为这种器件的实例，描述了由分子栅结构102化学连接到分子结构111上形成的分子共振隧道晶体管100的结构。单独看，分子结构111相当于一个整流二极管，其结构和工作方式属于前面已经讨论过的。从功能上看，晶体管100的分子结构类似于n-沟道增强型晶体管。像固态电子器件一样，分子晶体管100依赖于策略地利用电子给体和吸电子(产生“空穴”)化学掺杂基团，分别是掺杂基团117和118。这些通过共价键键合到分子112剩余部分上的掺杂化学取代基117、118由X和Y表示。根据有机化学基础知识，取代基X或多重取代基X(如前面所讨论的)应当理解为电子给体基团。举例来说，这样的电子给体基团包括-NH2、-OH、-OCH3、-CH3、-CH2CH3等。掺杂取代基Y或其多重取代基应当理解为吸电子(或电子受体)基团。这种取代基的例子包括-NO2、-CN、-CHO、-COR’等，其中R’是脂肪族链。
在以下段落中将会看到，分子晶体管保持了固态场效应晶体管中熟悉的源极-漏极-栅极三端结构。而且，分子晶体管100利用了共振开关效应，此效应在本领域为人们所熟知。晶体管100利用分子整流二极管的分子结构形成分子晶体管的源极和漏极区域。为了从分子整流二极管“骨架”制造分子共振隧道晶体管，将第三端，即栅端化学键合到二极管上，以便外加较小的偏压，根据栅偏压的极性抵消或加强由掺杂取代基诱导产生的本征偏压带来的效应。通过这种设置，该结构的源极和漏极区域中量子化的分子能级可以以受控方式发生或不发生共振，而从源极到漏极的电流得以接通或切断。此外，由于流过栅结构的电流大大小于在源极与漏极间流动的电流，功率增益得到了实现。
晶体管100包含一个电子源接点124，该接点通过取代基ω连接到分子结构11上，(该取代基ω与接点124的材料化学相连)，以加强接点与导线112的远端即部分115的远端环113之间的连接。类似地，电子漏极接点123通过取代基ω与导线112另一面的远端环113连接。作为一个实例，如果接点123和124是金属金形成的，取代基ω可由硫原子形成。如很像对整流二极管描述的那样，导线112的两个部分114和115由隔开它们的绝缘基团116确定。同样在这里，虽然可以看到每个部分分别受到掺杂来产生偏压，但是绝缘基团116上的能差也可以仅利用单个掺杂基团117、118产生，电子给体掺杂基团X或电子受体掺杂基团Y就足够了。还应当理解，虽然掺杂基团117、118显示出来是分别键合到与绝缘基团116直接相邻的环结构113，但是这些取代基也可以连接到所述分子的其他部分，如与绝缘基团116隔开一个或多个环的环。此外，所述掺杂取代基可以化学连接到分子栅结构上，使之与源极-漏极沟道相关，或者所述掺杂取代基也可以在绝缘势垒基团上被取代，使之与源极、漏极和栅极相关。分子晶体管100中，栅结构102包含栅绝缘基团104，标记为R’，图中显示为与X掺杂基团118化学连接。如以下段落中将要讨论的，栅绝缘基团104可键合到键合有掺杂基团的同一个环113的其他部分；栅绝缘基团104也可以键合到相同部分115、114的不同环113上。栅绝缘基团104上键合有导电配位体106，栅极电流通过它流动，栅电荷可在它上面聚集，从而对分子的源极-漏极部分施加场效应。导电栅极配位体通过化学连接到电接点材料上的能增强导电性的取代基ω连接到栅极接点108上。
为了理解分子晶体管100的工作原理，需要另外参见图3B和3D。在图1A和2A所示二极管结构中，加在类似于接线端123和124的接线端上的电压是可变的，以便产生开关效应。在分子晶体管器件100的情况下，源极-漏极电压维持恒定，而加在栅极上的电压是变化的，用以抵消或增强由掺杂取代基诱导产生的本征偏压，由此对源极-漏极电流起开关作用。因此，图3A中的接线端108上没有施加栅极电压，图3B描述了部分114和115各自的能级。很像二极管结构中的情况一样，绝缘基团116在能级图中形成势垒120。如图所示，除了中央势垒120以外，势垒121和122代表了分子结构111分别与导电接点123和124之间的势垒。
如图3B所示，在外加电压的情况下，已占量子能级127类似于逆向偏压分子整流二极管中的情况。由于外加偏压，接点124的费米能级提高，而接点123的降低。在逆向偏压条件下，电子给体部分115的π轨道125、125’的能量高于电子受体部分114相应的π轨道126、126’的能量。也就是说，给体配位体上的能级与受体配位体上的能级不匹配，会阻碍源极与漏极接点之间的电子流动。不过，如图3C和3D所示，给栅极接点施加电压能抵消掺杂取代基产生的本征偏压。在这种作用下，共价π轨道125、125’和126、126’产生共振，由此允许电子从源极接点流向漏极接点。为了影响掺杂基团118的电子给体效应，所需栅极电压比施加在源极和漏极之间的电压小得多，所以通过栅极的电流也比源极和漏极接点之间开关的电流小得多。因此，类似于固态半导体晶体管，分子晶体管100能够提高功率增益。
图4A-4D所示为分子共振隧道晶体管100’，它类似于n-沟道耗尽型半导体晶体管。晶体管100’包含栅结构102，它化学连接于聚芳链112的电子受体部分114。该耗尽型分子晶体管100’(图4所示)与增强型分子晶体管100(图3所示)之间的基本结构差异在于，前者具有与受体配位体114键合的栅结构102，而后者具有与电子给体配位体115键合的栅结构102。
栅结构102包含用R’表示的绝缘基团104，它由比聚芳链112绝缘性更大的化学基团形成。有此作用的一些备缘基团包括脂族基团，如σ键亚甲基(-CH2-)或二亚甲基(-CH2CH2-)，以及它们的长链。虽然图4A和4C显示栅极绝缘基团104与掺杂基团117键合，但它也可以键合到键合有掺杂基团117的环113或其邻近环的其他位置上。在接点108上施加栅极控制电压，并使导电配位体106通过化学连接在电接点108上以提高导电性的取代基ω导通电流。导电配位体106由聚芳烃导线形成，该导线具有足够的长度或电容，允许它上面聚集电荷，以增强电子给体-电子受体配位体的场效应。因此，通过使用网状分子结构，如图示的双环萘基，可以增加电容，由此可以减少需要施加在栅结构上以增强分子电子器件的“开关”效果的电势大小。
如图4B所示的能量图，分子器件100’经过了掺杂，使得在栅极接点上不外加电压而只有正向源极-漏极偏压的情况下，部分114和115的能级处于共振状态。如果在栅极接点108上加上合适的负电压，所述器件就会断开，因为受体配位体上未占能级126’与给体配位体上未占能级125’不再相互匹配，如能量图4D所示。在栅极未加电压的情况下，晶体管的作用就像正向偏压整流二极管一样。
开关作用的发生是因为在栅极上施加的少量负电荷抵消了吸电子掺杂基团的效应。外加栅极偏压的效果是提高电子受体或源极区导带中未占能级125’、126’的能量，促使其能级与该器件的给体或漏极区的未占能级不匹配。分别在电子给体和受体配位体上的未占导带能级之间的不匹配，阻止了电子通过隧道效应从源极漏过中央绝缘障碍，从而使器件处于断开状态。像器件100一样，晶体管100’利用加在栅结构102上的小电流或电压，控制流过或加到漏极和源极部分(115和114)的大得多的电流。借助这种方式，耗尽型分子晶体管100’显示出功率增益。
图5A-5D所示为分子晶体管100、100’的示意图，展示了掺杂取代基和栅结构102在化学连接方面的一些变化。图5A中，晶体管通过组合聚芳烃分子结构111与栅分子结构102，形成新的单个分子来形成。分子结构111包含多个顺序连接且基本上相同的芳环结构113，它含有任何中间连接基团，由符号α表示。由于环113可以是除苯环外的其他环，如环戊二烯、环丙烯或者它们的组合，符号α可以用来表示任何具有基本上芳香性的环分子结构，如前面讨论过的那样。为了在绝缘基团116(用符号R表示)上产生本征偏压，将掺杂取代基117、118(用符号Z表示)键合到邻近绝缘基团116的环113上。在位于分子结构111这一部分上的绝缘基团116的另一边，相反的掺杂基团118、117(用符号Z’表示)键合于环113a。掺杂基团Z’的性质与Z相反；也就是说，如果Z是电子给体掺杂基团，那么Z’就是电子受体掺杂基团，反之亦然。栅结构102键合于掺杂基团Z上，该栅结构包含用符号R’表示的绝缘基团104，所述绝缘基团与符号β表示的导电配位体106连接。
图5B所示为一个分子晶体管，其中的栅结构102未直接与掺杂取代基117、118键合。掺杂基团Z既可以是电子给体基团，也可以是吸电子基团，键合于环113上，该环在位于分子结构111一个部分上的绝缘基团116的一面。如果想使绝缘基团116两边未占能级间的分裂能ΔELUMO比较大，就要将类型与Z相反的电子给体基团或吸电子基团Z’连接到环113a上，如图5A所示的那样。在图5B中，栅结构102化学连接于环113’上，该环与环113邻近，且键合有掺杂基团Z。栅结构102包含栅绝缘基团104(用R’表示)和导电配位体106(用β表示)。
作为另一种变化形式，图5C显示了象掺杂基团Z一样直接键合于同一环113上的栅结构102。就像前面的情况那样，可将类型与Z相反的掺杂基团键合于环113a上，以增加绝缘基团R上的能差ΔELUMO。掺杂基团Z可以是吸电子基团117，也可以是电子给体基团118，键合于环113的一面。键合于环113另一面的是绝缘基团104，它同时键合于导电配位体106上。
在图5D所示的又一种变化形式中，分子结构111显示的情况是，栅结构102键合于不与键合有相应掺杂基团的环相邻的环上。可以是吸电子基团117，也可以是电子给体基团118的掺杂基团Z键合于环113上由绝缘基团116界定的那部分上。像在其他情况下那样，可以将相反类型的掺杂基团118、117键合到环113a上，以增加绝缘基团R两边未占能级间的能差ΔELUMO。栅结构102键合于环113’上的部分与掺杂基团键合于环113上的部分相同。不过，环113’与环113相隔超过一个环的位置(相隔单环位置的情况示于图5B)。
另一种变化形式见图6，在中央绝缘基团R的一面利用了多个掺杂基团，栅结构102与环113相连，而该环不与掺杂基团连接。在此情况下，由符号R表示的绝缘基团116将聚芳烃分子导线112分为两个部分114和115。电子受体部分114包含与绝缘基团116相邻的环113c，此环113c上键合有第一电子受体掺杂基团117(用符号Y表示)。第二电子受体掺杂基团117’(用符号Y’表示)键合于邻接环113d上。环113d通过可增加导电性的取代基ω连接到源极接点123上。另一方面可以看到，部分115含有键合于环113b上的第一电子给体基团118(用符号X表示)和同样键合于环113b上的第二电子给体基团118’(用符号X’表示)。位于环13b和绝缘基团116之间的是环113，栅结构102相连于此环113。像部分114中的情况那样，两个电子给体基团118和118’也可以分别连在两个不同的环113和113b上。反过来，两个吸电子基团117和117’也可以同时连在一个环113c或113d上。利用掺杂基团位置和数目上的不同，可以精确控制绝缘基团116上的能差ΔELUMO。栅结构102包含作为栅绝缘体的二亚甲基104和作为导电配位体的聚芳烃导线106，导线106一边与二亚甲基相连，一边通过取代基ω与栅极接点108相连。作为一个例子，图中示出的聚芳烃导线106是萘基，其双环结构与单环结构相比具有更大的电容。
在掺杂分子二极管上增加一个栅结构就可以构建一个分子晶体管，这样的思想在应用上并不局限于分子整流二极管。将掺杂基团117、118和栅结构102加到分子共振隧道二极管202上，就可以形成分子共振隧道晶体管200，如图7A所示。
在分子共振隧道二极管202的常规结构中(如图1A所示)，将电子受体掺杂基团117分别连接到环210b和210c上，这两个环分属部分232和234，而这两个部分又位于构成共振隧道二极管的“岛”的环235的相对两边。像常规情况那样，岛环235与部分232为绝缘基团236所分隔，所述绝缘基团236起势垒作用，电子必须隧穿它才能导电。岛235通过另一个绝缘基团238连接于部分234，该绝缘基团238起另一个势垒作用，电子必须隧穿它才能导电。电子给体掺杂基团118与岛环235相连，这样在势垒基团236和238上都能形成本征偏压，此本征偏压随后受到栅结构102上外加电压的影响。栅结构102包含连接于电子给体掺杂基团118上的绝缘基团104。导电配位体106由类似于分子导线的聚芳烃导电结构形成，包含连在一起的芳环213a和213b。显然，具有基本上芳香性的芳环或分子结构的长链或网可用来形成导电配位体106。导电配位体106的远端通过取代基ω与栅极108相连。通过这种设计，电极230和240之间的导电情况受栅极108上所加预定极性的电压的影响。具体地说，在栅极108上施加正电压将会抵消键合于岛235上的掺杂基团X(118)的效应。因此，正栅极电压会降低岛的未占导电能级，使之与分别位于左边和右边的区域232和234上的相应未占导电能级更接近于匹配。将足够的正电压加在栅极上，将使235、232和234上的三组能级匹配，从而使分子晶体管打开。但是，与驱动电流从源极流到漏极所要施加的电压相比，这个栅极电压还是相当小的。因此，这种器件是可以获得功率增益的。
图7B示出了图7A所示结构的另一种形式。图7B所示的另一种形式与图7A所示在结构上的不同，仅仅在于化学连接到所示结构的三个位置上的掺杂基团的类型都发生了对换。也就是说，在图7B中，吸电子掺杂基团117键合于岛环和栅绝缘基团上，而在图7A中，是电子给体基团类型的掺杂基团118键合于对应的位置上。类似地，图7B中位于岛左边和右边聚芳烃导线上的电子给体掺杂基团118与图7A中位于对应位置上的掺杂取代基117的类型相反。
转变图7A中所有掺杂基团的类型从而得到图7B中的共振隧道晶体管结构，还意味着从操作上讲，必须在图7B的栅极108上施加相反极性的电压，才能使器件处于接通状态。也就是说，必须在图7B中的栅极上施加较小的负电压，以抵消掺杂效应，并使分子232、235、234三个部分上的所有导电能级匹配，由此让电流从源极流到漏极。像图7A中一样，导电配位体可以通过具有芳香性的多元环结构形成，如聚芳烃导线中的环结构。
构建了一个单分子形态的共振隧道晶体管后，现在就有可能进一步修饰该分子，得到非门功能。如示意图8A所示，一般情况下，通过在晶体管302的源极306和输出端C之间连接电阻器304，就能方便地得到非功能。除了与电阻器304的一端连接外，源极306还与正极性电源连接。源极308与电源负极连接，该电源可以是接地参考电势。输入端A与晶体管302的栅304相连。众所周知，通过这样的电路设置可以在C端得到与加到A端的输入信号相反的输出信号，与传统的反相器功能一样。
图8B显示的是具有反相器功能的单分子，它是图8A所示通用电路的分子电子实现形式。聚芳烃导线分子结构312中插入了绝缘基团R(316)，并且至少有一个掺杂基团Z(117、118)键合到环313a上。栅结构102包含栅绝缘基团R’(104)，导电配位体β(106)键合到绝缘基团104和一个或多个芳环310上。配位体106与环310的区别，可以是其环以增加电容效应的方式连接在一起。相当于图8A中电阻器304的是绝缘基团R”(318)，它键合于环313’和由连在一起的芳环320形成的分子导线之间。
图8C所示为用于基于聚亚苯基的分子电子非门或反相器300的分子结构实例。分子二极管骨架结构311是由分子导线312形成的，其中绝缘基团316是取代进去的，从而分出了两个部分324和326。电子给体掺杂基团118和电子受体掺杂基团117中至少有一个连接到部分326上作为掺杂基团Z，而掺杂基团Z同时化学连接到聚芳烃结构的环313a上。如前面所讨论的，可以将相反类型的掺杂基团118、117连接到部分324的环313、313’上，以增加绝缘基团316两边导带之间的能差ΔELUMO。在此实例中，栅结构102与掺杂基团Z相连，形成晶体管结构。栅结构102包含由二亚甲基形成的栅绝缘基团102和由双环萘基形成的导电配位体106，该双环萘基的分子结构也可以保留一些电荷，从而增强开关晶体管的场效应。导电配位体106可进一步通过次乙炔三键319连接到一个或多个芳环上，这样整个栅结构102就通过取代基ω与输入端A相连，该取代基ω连结到外加有电压的物质接点的材料上。图中所示的ω基团具体是HS，硫醇基。在实践中，当该基团粘结到金接点上时，该基团的氢原子就会被取代，在有机分子和金属接点之间只留下S原子。图8A中所示电路的电阻器304由与部分324的环313’相连的亚甲基绝缘基团318形成。分子导线由其中间有次乙炔键319的多个聚芳环320形成，它在绝缘基团318与输出端C之间提供导电连接。聚芳环结构通过硫醇取代基ω与输出端相连，该硫醇取代基连结到接点材料如金上，如上所述。由绝缘基团318形成的电阻器的值可以调节，方法是利用各种导电性比聚芳烃分子结构差的基团，并用常规有机化学方法(如取代)或诸如机械合成和化学合成的方法将这些绝缘基团插入分子导线。二极管分子骨架结构311的相反接线端分别与极性相反的电源接线端V+和V-相连，用以提供源区与漏电区之间所需的偏压。
图8A所示反相器的另一种分子实现形式由图9A所示结构表示。反相器300’利用了类似于图5B所示的分子晶体管结构，其中既可以是吸电子基团117又可以是电子给体基团118的掺杂基团Z与环313a相连，栅结构102连接于另一个相邻的环313b。栅结构102除了含有栅绝缘基团104和导电配位体106之外，还可以包含芳环310，用以提供通向接线端的导电路径，所述接线端提供了输入端A。在该分子晶体管结构中，由绝缘基团318界定的符号为R”的电阻器与分子结构312中的芳环313’相连，芳环313’在分子结构312中所处的那一段不构成栅结构102的一部分。起电阻器作用的绝缘基团318与一个或多个芳环320相连，用以提供与输出端C表示的接线端之间的导电连接。
与图9A对应的分子结构实例示于图9B。其中聚芳烃结构由带次乙炔键的苯环组成，栅结构102与环313b相连，而掺杂基团Z与环313a相连。二亚甲基104构成栅绝缘基团，而萘基构成导电配位体106，所述导电配位体106进一步与一个或多个别的苯环连接，以便与接点相连，硫醇取代基对所述接点具有亲合性。这样，栅极接点就形成了环313’的输入端A，起电阻器作用的亚甲基绝缘基团318与环313’键合，阻碍电子流经过多个芳环20到达输出端C。
从前面图8和9描述的例子中可以清楚地看到，前面结合图3-7所讨论的任何可用的分子晶体管结构都可以用来形成单分子非门，它是呈单分子形态且具有反相器功能的电路。
连接多个分子以形成大分子，然后进一步取代和化学连接更多的取代基以形成更大的分子，这里面涉及到的工艺在有机化学和纳米制造技术中是众所周知的。利用这些技术，分子二极管，不管是整流二极管还是共振隧道二极管，可通过增加栅结构形成更大的分子来进行修改。这就可将二极管开关转变成分子晶体管，即具有功率增益的开关。然后，这样制成的分子晶体管可进一步通过添加起电阻性电路元件作用的分子基团来修饰，得到反向功能，即逻辑非门功能。
此外，通过组合这种基本的分子非门电路和具有其他基础逻辑功能(例如与、或和异或)的分子电路，可以得到更为复杂的分子电子逻辑功能。这些逻辑功能可通过更大的单分子实现。这样就有可能构建一个具有复杂布尔功能的单分子。此类布尔功能的例子可以是与非门、异或非门、半加器及其任意组合。
图10A所示为代表与非门400的通用电路示意图，该与非门具有二进制信号输入端A和B，以及逻辑结果输出用的二进制信号的输出端C。输入端A和B属于二极管-二极管逻辑与非门410。该与非门的输出进一步与提供非功能的反相器420相连，从而产生与非输出。在该过程中，非功能也为输出结果提供增益或放大。与非门410由两个整流二极管412和414及电阻器416构成。反相器420包含电阻器422，通过它门引线和逻辑与非门的输出相连。然后，晶体管422的源极通过晶体管424提供反相输出。
具有与非功能的分子结构的实例示于图10B。图中所示与非门400由分子二极管412和414构成，这两个二极管的正极连在一起，而在这两个正极上连有由绝缘基团416构成的电阻器，该电阻器的另一端与电源的正极相连。连接这两个二极管412和414的节点与晶体管422相连，该晶体管所具有一个源极部分，绝缘基团424构成了一个该源极部分用的电阻器，阻碍电子流向输出端C。利用含有合适的掺杂和绝缘基团的聚亚苯基导线，可以制成具有特定布尔功能，即与非门的布尔的功能的单分子，该分子还能产生功率增益。所述功率增益能使逻辑门400在后续逻辑步骤中支持所谓的“扇出”，即从与非门的输出端C驱动多个逻辑电路的能力。
图11A所示为代表异或非门500的通用电路示意图，该异或非门具有二进制信号输入端A和B以及逻辑结构输出用的二进制信号的输出端C。输入端A和B属于二极管-二极管逻辑与非门510。该异或门的输出进一步与提供非功能的反相器420相连，从而产生异或非输出。就像与非门中的情况那样，非功能也为输出结果提供增益或放大。异或门510由两个整流二极管512和514构成，这两个二极管的负极分别通过电阻R0连在一起。连接两个电阻R0的节点与共振隧道二极管516的一端相连，而该二极管的另一端与负载电阻518相连，二极管的此端还提供异或门的输出。异或逻辑门510的输出端与晶体管422的门引线相连。反相器420的电阻器424将晶体管源极连接到输出端C上。
现在看图11B，它显示的是执行异或非功能的分子结构的一个实例。图中所示异或非门500由分子异或门510构成，该逻辑门包含分子二极管512和514，所述二极管的负极通过由各自内阻确定的电阻连在一起。连接这两个整流二极管的节点与分子共振隧道二极管516的一端相连，所述分子共振隧道二极管的另一端与其中插有绝缘基团的分子导线相连形成电阻器518。分子共振隧道二极管516与电阻器518相连的那端同时与分子非门420相连，所述分子非门是类似于与非门实例中分子非门的分子结构。就像与非门那样，作为实例的异或非门500利用含有合适的掺杂和绝缘基团的聚亚苯基导线，形成了具有特定布尔功能的单分子。该分子除了具有布尔逻辑功能外，还能产生功率增益，因此具有从异或非门的输出端C驱动多个逻辑电路的能力。
代表半加器的通用电路简图示于图12A。在半加器600中，异或非门500与反相器420相连，得到正极性输出端S。异或非门500同时和与非门400相连，后者的输出端与另一个反相器420相连。输入信号向输入端A和B提供，而输出端S为逻辑加和输出，输出端C为逻辑进位输出。
执行半加器功能的分子结构实例见图12B。如图所示，半加器600由基于聚亚苯基的单分子构成。通过分别组合异或门510与第一反相器(非门)420并组合与非门410与第二反相器(非门)420，它综合了异或非门500和与非门400的功能。这些门的每个输出端都分别与反相器420相连，得到所需的输出极性。类似地，通过进一步组合具有特定功能的分子，能够形成能执行复杂逻辑功能的更大的单分子，从而获得更复杂的布尔逻辑功能。
虽然本发明结合一些具体形式和实施方式进行了描述，但是应当理解，在不背离本发明主旨和范围的前提下，可以采用上述讨论以外的各种变通形式。例如，可以用等价元件替代那些具体图示和描述的元件，可以在其他特征之外独立采用某些特征，而在某些情况下，元件所处的具体位置可以颠倒或穿插，只要这些都没有偏离本发明所附权利要求书中所确定的主旨和范围。
权利要求
1.一种单分子电子器件，其特征在于它包含多条与至少一个绝缘基团化学连接在一起的分子导线，所述多条分子导线中的至少一条通过化学方法与所述掺杂取代基相连，形成绝缘基团上的本征偏压，第二个绝缘基团与至少一条分子导线化学相连，而导电配位体化学连接到所述第二个绝缘基团上，形成具有功率增益功能的单个分子，所述第二个绝缘基团充分接近于所述掺杂取代基，从而以施加在所述导电配位体上的电势影响本征偏压。
2.权利要求1所述单分子电子器件，其特征在于它还包含化学连接于所述多条导线中的第二条的第三绝缘基团和化学连接于所述第三绝缘基团的多个连在一起的芳环结构，形成反相器电路输出。
3.具有功率增益的单分子电子器件，其特征在于它包含至少一根含有多个相连且基本上相同的芳环结构的分子导线；至少一个键合于一对所述芳环结构之间的第一绝缘基团，从而构成所述分子导线的两个部分，所述第一个部分与第一电接点连接，所述第二部分与第二电接点连接；对所述第一和第二部分中的至少一个部分进行掺杂的结构，以形成电子给体部位和电子受体部位中的至少一个；化学连接到所述第一和第二部分中的一个部分上的分子栅结构，使之充分接近于所述掺杂结构，以便利用加在所述分子栅结构上的电势通过所述掺杂结构影响所述第一和第二部分间的本征偏压，所述分子栅结构连接于第三个接点上，以便连接到所述电势的源极上。
4.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述掺杂结构至少包含一个选自电子给体基团和电子受体基团的基团，所述电子给体基团和电子受体基团化学连接于所述第一和第二部分中的一个部分上。
5.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述掺杂结构包含至少一个化学连接于所述第一部分上的电子给体基团和至少一个连接于所述第二部分上的电子受体基团。
6.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述掺杂结构包含选自电子给体基团和电子受体基团的多个基团，所述多个基团化学连接于所述第一和第二部分中的至少一个部分上。
7.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述绝缘基团选自饱和脂肪族桥接基团或就电子传输而言脂肪性显著的基团。
8.如权利要求7所述单分子电子器件，其特征在于所述饱和脂肪族桥接基团选自亚甲基-CH2-、σ键二亚甲基-CH2CH2-及其它们更长的链。
9.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述分子导线包含多个乙炔间隔基团，它们各自位于所述芳环结构之间，使一个芳环结构与另一个相连。
10.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述至少一条分子导线是基于聚亚苯基的分子导线。
11.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述绝缘基团选自在所述至少一条分子导线中对电子传输构成势垒的基团。
12.如权利要求3所述单分子电子器件，其特征在于所述分子栅结构包含化学连接于邻近所述掺杂结构的所述第一和第二部分中至少一个部分上的第二绝缘基团，以及化学连接于所述第二绝缘基团和所述第三接点之间的导电配位体。
13.如权利要求12所述单分子电子器件，其特征在于所述第二绝缘基团选自饱和脂肪族桥接基团或就电子传输而言脂肪性显著的基团。
14.如权利要求4所述单分子电子器件，其特征在于所述栅结构包含化学连接于所述第一和第二部分中的一个部分上的第二绝缘基团和以及化学连接于所述第二绝缘基团和所述第三接点之间的导电配位体。
15.如权利要求14所述单分子电子器件，其特征在于它还包含化学连接于所述第一和第二部分中的另一部分上的第三绝缘基团，以及多个化学连接于所述第三绝缘基团与第四接点之间的连在一起的芳环结构，从而形成布尔逻辑功能。
16.如权利要求15所述单分子电子器件，其特征在于所述布尔逻辑功能为非功能。
17.单分子晶体管，其特征在于它包含具有多个连在一起的分子环结构的基于聚亚苯基的导线；至少一个键合于一对所述分子环结构之间以形成导线两个部分的绝缘基团；键合于所述第一部分的至少一个分子环结构上以形成一个相应电子给体部位的第一掺杂基团；键合于所述第二部分的至少一个分子环结构上以形成相应电子受体部位的第二掺杂基团；化学连接于所述第一和第二掺杂基团之一附近的第二绝缘基团；键合于所述第二绝缘基团上的导电配位体，用来连接一个通向它的电荷，以改变所述第一和第二掺杂基团形成的本征偏压。
18.具有如下结构式的单分子晶体管 其中α是芳环，R是饱和脂肪族基团，R’是饱和脂肪族基团，β是导电配位体，Z是至少一个掺杂取代基。
19.如权利要求18所述单分子电子器件，其特征在于所述至少一个掺杂取代基选自电子给体基团和电子受体基团。
20.具有如下结构式的单分子晶体管 其中α是芳环，R是饱和脂肪族基团，R’是饱和脂肪族基团，β是导电配位体，Z是至少一个掺杂取代基。
21.如权利要求20所述单分子电子器件，其特征在于所述至少一个掺杂取代基选自电子给体基团和电子受体基团。
22.具有如下结构式的单分子逻辑反相器 其中α是芳环，R、R’和R”是饱和脂肪族基团，Z是至少一个掺杂取代基，β是导电配位体，ω是化学连接到电接点上的取代基，A表示输入端，C表示输出端，V+和V-是电源电势。
23.如权利要求22所述单分子逻辑反相器，其特征在于它进一步由下式所示分子界定 其中A表示输入端，C表示输出端，V+和V-是电源电势。
24.具有如下结构式的单分子逻辑反相器 其中α是芳环，R、R’和R”是饱和脂肪族基团，Z是至少一个掺杂取代基，β是导电聚合物配位体，ω是化学连接到电接点上的取代基，A表示输入端，C表示输出端，V+和V-是电源电势。
25.如权利要求24所述单分子逻辑反相器，其特征在于它进一步由下式所示分子界定 其中A表示输入端，C表示输出端，V+和V-是电源电势。
26.在单分子中形成的晶体管，其特征在于它包含多个导电聚合物链，每条所述聚合物链包含多个化学相连且基本上相同的芳环结构；至少一个连接在一对相对所述多条聚合物链之间的第一绝缘基团；至少一个连接于至少一条所述聚合物链的掺杂取代基，使得在所述第一绝缘基团上形成本征偏压；连接到所述一对所述多条聚合物链上的第二绝缘基团，邻近所述至少一个掺杂取代基；连接于所述第二绝缘基团上的导电配位体，用以导通施加于其上的电压，从而影响所述本征偏压。
27.单分子电子器件，其特征在于它包含多条导电聚合物链，每条所述聚合物链包含多个化学相连且基本上相同的芳环结构；至少一个连接在一对相应所述多条聚合物链之间的第一绝缘基团；至少一个连接于至少一条所述聚合物链的掺杂取代基，使得在所述第一绝缘基团上形成本征偏压；连接到所述至少一个掺杂取代基上的第二绝缘基团；连接于所述第二绝缘基团上的导电配位体，用以形成反相器电路的输入端；连接于另一条所述多条聚合物链上的第三绝缘基团；化学连接到所述第三绝缘基团上的多个连在一起的芳环，用以形成所述器件的输出端。
28.具有如下结构式的单分子晶体管 其中α是芳环，R是饱和脂肪族基团，R’是饱和脂肪族基团，β是导电配位体，Z是至少一个掺杂取代基。
29.具有如下结构式的单分子晶体管 其中α是芳环，R是饱和脂肪族基团，R’是饱和脂肪族基团，β是导电配位体，Z是至少一个掺杂取代基。
30.单分子晶体管，其特征在于它包含具有至少一个化学连接在一对分子环结构之间的势垒绝缘基团的分子二极管；至少一个化学连接于所述分子二极管中的所述一对分子环结构的掺杂基团；化学连接于所述至少一个掺杂基团上的分子栅结构，用以影响由所述至少一个掺杂基团形成的本征偏压。
31.如权利要求30所述单分子晶体管，其特征在于一个电子给体基团化学连接于所述分子二极管的一对所述分子环结构，且一个电子受体基团化学连接于所述分子二极管上另一对所述分子环结构。
32.如权利要求30所述单分子晶体管，其特征在于所述分子栅结构包含化学连接于所述至少一个掺杂基团上的第二绝缘基团，以及化学连接于所述第二绝缘基团上的导电聚合物配位体。
33.执行与非门功能的电子逻辑器件，所述与非门由具有下述结构式的分子界定 其中A和B分别表示输入端，C表示输出端，V+和V-是电源电势。
34.执行异或非门功能的电子逻辑器件，所述异或非门由具有下述结构式的分子界定 其中A和B分别表示输入端，C表示输出端，V+和V-是电源电势。
35.执行半加器功能的电子逻辑器件，所述半加器由具有下述结构式的分子界定 其中A和B分别表示输入端，S表示加和输出端，C表示进位输出端，V+和V-是电源电势。
36.单分子电子器件，其特征在于它包含具有至少一个势垒绝缘基团的分子二极管，该绝缘基团化学连接于一对分子环结构之间，形成一对二极管部分；至少一个化学连接于所述两个所述二极管部分的一个部分掺杂基团；化学连接于所述一个二极管部分的分子栅结构，用以影响由所述至少一个掺杂基团形成的本征偏压。
全文摘要
本发明提供了一种单分子电子器件，它包含具有至少一个势垒绝缘基团的分子二极管，所述绝缘基团化学连接在一对分子环结构之间，形成二极管的两个部分，其中一个部分与至少一个掺杂基团化学相连；该单分子电子器件还包含一个分子栅结构，该结构化学连接于二极管的一个部分上，影响由至少一个掺杂基团形成的本征偏压。这样制成的器件可用作分子电子晶体管，它同时具有开关作用和功率增益。通过将另一个绝缘基团加到二极管的另一个部分上，可以形成电阻，从而确立了显示反相器功能或者非门功能的输出端。所述非门可化学连接于分子二极管－二极管逻辑结构上，形成具有复杂布尔功能和功率增益的单分子。
文档编号H01L51/30GK1507659SQ01822444
公开日2004年6月23日 申请日期2001年11月7日 优先权日2001年11月7日
发明者J·C·埃伦博根, J C 埃伦博根 申请人:迈脱有限公司