专利名称：基于硅-分子复合体系单分子负微分电阻器件及制备方法
技术领域：
本发明涉及电子器件技术领域，尤其是ー种基于硅-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規模集成电路。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ー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，主要包括在エ业制备上的困难，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(參见又献 D.Vuillaume, Molecular Nanoelectronics.Proceedings of tne 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ニ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ー种(參见文献N.P.Guisinger et al.Room Temperature Negative Dm'erentialResistance tnroughIndividual 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(參见文献L.Esaki, New Phenomenon inNarrow Germanium p-n Junctions.Phys.Rev.1958,109,603-604),其 1-V 曲线表现为加正向电压吋，电流随着电压的増大而减小。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鋭的局域态密度所致，而针尖上的尖鋭态可以通过吸附分子或团簇实现(參见文献P.Bedrossian et al.Demonstration of thetunnel-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段(參见文献 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。
在制作该分子器件时，需要对裸露的硅表面进行钝化处理。桂(111)-
VIx V1-银表面(简称R3-银/硅表面)便是其中ー种，它对吸附分子是呈化学惰性的。R3-银/硅表面在费米面附近存在三个表面态SI，S2，S3 (參见文献H.Aizawa etal.Asymmetric structure of theSi( I I I )- V3 X V3 -Ar surface, Surface Science, 1999,429，L509-L514)。SI带的底部位于费米面以下0.3eV，它与块体的掺杂类型和掺杂浓度是相同的，而费米面以上部分是弥散的，一般情况下会被电子填充，所以在空间-电荷层(SCL, Space-Charge Layer)中体内的能带会向上弯曲，如图2 (a)所示。S2/S3带位于费米面以下1.leV，其中SI带与S2/S3带之间存在ー个0.7eV的带隙。由于一般的S2/S3表面态与空间-电荷层的体能带相互影响，裸露的R3-银/硅表面可以观察到明显的负微分电阻效应。但这ー负微分电阻的出现受外界因素影响很大，如硅衬底的掺杂浓度，测量的温度等，如果直接利用这ー衬底则很难制备稳定的负微分电阻器件。而在R3-银/硅表面沉积钴酞菁分子后，利用表面的SI态与钴离子的dz2軌道共振，会产生很明显的负微分电阻效应，正是利用这一点本发明设计出ー种与衬底的掺杂浓度和掺杂类型无关的具有负微分电阻效应的杂化硅-分子器件。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的主要目的是利用负微分电阻的原理，提供ー种基于娃-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件及其制备方法。根据本发明的一方面，提供ー种基于硅-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件，包括:源极1、漏极2、栅极3、钴酞菁分子4和隧穿层5，其中:单个钴酞菁分子4位于所述源极I和所述漏极2之间，所述钴酞菁分子4的平面与所述源极I和所述漏极2之间的连线垂直，所述钴酞菁分子4中的钴离子与所述源极I接触；所述漏极2与所述钴酞菁分子4之间设有隧穿层5。根据本发明的另一方面，还提供一种基于娃-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件的制备方法，该方法包括:步骤SI，制备R3-银/硅表面衬底作为所述单分子负微分电阻效应器件的源极；步骤S2，在制备好的所述R3-银/硅表面上蒸发少量的钴酞菁分子，得到钴酞善-R3-银/娃表面；步骤S3，在所述步骤S2得到的钴酞菁-R3-银/硅表面上蒸发第一层氧化物，形成
氧化层a ；步骤S4，在所述步骤S3得到的氧化层a上蒸发第二层氧化物，形成具有孔洞结构的氧化层b ；步骤S5，在所述氧化层a和所述氧化层b上制备漏极；步骤S8，在电输运性质较理想的单个钴酞菁分子两边刻蚀出用于制作栅极的孔洞，并在所述孔洞中制备栅极，从而最終得到单分子负微分电阻效应器件。本发明所提供的上述基于硅-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件的负微分电阻效应很稳定，与衬底的掺杂种类和掺杂浓度无关。由于本发明制作出的这类具有负微分电阻特性的单分子器件体积小，性能高，可以广泛地应用在今后的基于纳米材料的电子线路中。
图1是本发明基于硅-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件的原理示意图；图2a是平衡位置时本发明单分子器件的能级图；图2b是负电压下本发明单分子器件的能级图；图2c是更高负电压下本发明单分子器件的能级图；图3是本发明单分子器件的制备方法流程图；图4是本发明实际组装后分子器件各部位的垂直结构示意图；图5是本发明实际组装后分子器件各部位的平面结构示意图；图6a是在R3-银/硅表面的钴酞菁分子的扫描隧道显微镜的形貌图及分子的结构示意图，左下角为放大的R3-银/硅表面的形貌图以及结构示意图；图6b是扫描隧道显微镜测量的单个钴酞菁分子在R3-银/硅表面的1-V谱。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并參照附图，对本发明进ー步详细说明。根据本发明的一方面，提供ー种基于硅-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件，如图1所示，本发明提供的基于硅-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件包括:源极1、漏极2、栅极3、钴酞菁分子4和隧穿层5，其中:所述源极I使用R3-银/硅表面；所述漏极2用金作为电极；单个钴酞菁分子4位于所述源极I和所述漏极2之间，所述钴酞菁分子4的平面与所述源极I和所述漏极2之间的连线垂直，所述钴酞菁分子4中的钴离子与所述源极I接触；所述漏极2与所述钴酞菁分子4之间设有隧穿层5 ；所述栅极3与所述钴酞菁分子4的四个瓣间用高介电常数的氧化层隔开。所述单分子负微分电阻效应器件中，所述钴酞菁分子4位于所述源极I和所述漏极2之间，当加上负电压时，对于一般的分子器件而言，随着源极和漏极之间的电压増大其通过分子上的电流或隧穿电流也会相应地増大。但对于本发明的该单分子负微分电阻效应器件，隧穿电流会在一特定电压中随着电压绝对值的增大而减小，这ー特性与现有技术中的负微分电阻所表现出的效应完全相同。利用以下的模型可以对本发明的单分子负微分电阻效应器件上出现负微分效应的机理进行解释，根据R3-银/硅表面的态密度可以看到该表面空酞菁上氢原子的态密度无起伏，而ニ价钴离子的dz2軌道的态密度却有较大起伏。而吸附在不同平衡位置上的钴酞菁分子，其ニ价钴离子的dz2軌道的态密度也有一定的变化，如图2(a)所示。由于本发明的实验测试一般都是在漏极费米面以上0.08-0.12eV，为了简单化，钴酞菁分子的dz2轨道的态密度一般选用在漏极费米面以上0.1eV的能量。
当在源极和漏极之间施加ー个负电压时(电压V = Vgap+Vsa+Vinter，其中，Vgap为漏极费米面与钴酞菁分子带隙之间的电压降，Vscl为空间电荷层的电压降，即R3-银/硅表面的费米面与钴酞菁分子ニ价钴离子的dz2轨道的态密度间的电压降，Vinter为钴酞菁分子与R3-银/硅表面间界面处的电压降)，导致Vgap/V变大，Vsa/V变小，中心ニ价钴离子的dz2轨道的态密度将向下移动。当电压降Vintw到达0.1eV时，ニ价钴离子的dz2轨道的态密度将迅速与SI带对齐，如图2(b)中虚线所示，此时会导致ニ价钴离子的dz2轨道的态密度与SI带之间产生共振，从而在1-V曲线的负电压上出现ー个峰值。当继续增大电压吋，dz2轨道移动进入SI与S2/S3的带隙之间，如图2(c)所示，此时分子轨道与SI的共振被破坏，导致隧穿电流下降。当分子轨道在SI与S2/S3的能隙之间时，隧穿电子主要来自R3-银/硅表面的S2/S3带的价帯。由于S2/S3的表面态在针尖费米面以下，因此这些态不会再对负微分电阻有贡献。由于钴离子的dz2轨道在费米面以上，因此它只能在负电压下与SI带对齐。也就是说，所述单分子负微分电阻效应器件的负微分电阻效应是利用所述钴酞菁分子(4)中的ニ价钴离子dz2轨道的态密度和所述R3-银/硅表面的SI表面态之间的共振产生的。以上的模型简单介绍了本发明单分子负微分电阻效应器件产生负微分电阻效应的基本原理。在进ー步的研究中也发现，本发明单分子负微分电阻效应器件的负微分电阻效应很稳定。首先该单分子负微分电阻效应器件的衬底与掺杂的种类和掺杂浓度无关，它以衬底的表面态为基础，而表面态的大小与掺杂类型和块体的载流子浓度无直接联系。另夕卜，温度的差异对负微分电阻影响也很小。这也为本发明单分子负微分电阻效应器件的应用提供了重要的依据。进ー步地，如果需要对负微分电阻出现的电压位置进行调节，则可以在所述单分子负微分电阻效应器件上加上栅压\来调控，所述栅极3主要是通过调节钴酞菁分子的化学势，来调控钴酞菁分子内电子填充最高能级与分子轨道的相对位置，尤其是ニ价钴离子的dz2轨道与费米面的相对位置，这将导致负微分电阻在1-V曲线中出现位置的变化，从而为本发明单分子负微分电阻效应器件的应用提供更为广泛的应用。根据本发明的另一方面，还提供一种基于娃-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件的制备方法。传统的分子电极的制作方法主要是利用电迁移法进行制备，即首先利用一般电子束刻蚀技术的方法制备出金纳米条带，并通过大电流使纳米条带断裂形成金的两个电扱。然而在本发明的单分子负微分电阻效应器件中，由于其中ー个电极为R3-银/硅表面，而且钴酞菁分子必须平躺在R3-银/硅表面，因此，在制备本发明的单分子负微分电阻效应器件时，难点主要包括两个方面，ー是如何制备具有完整结构的R3-银/硅表面衬底的源极以及具有微纳结构的漏极，ニ是如何选择合适的分子器件并进行适当的栅极制备。图3是本发明单分子负微分电阻效应器件的制备方法流程图，该方法包括以下步骤:步骤SI，制备R3-银/硅表面衬底作为所述单分子负微分电阻效应器件的源极；所述制备R3-银/硅表面衬底的步骤进一歩包括以下步骤:步骤S11，制备ー Si(lll)_7X7重构表面，该重构表面可以在超高真空的环境下使用一般Si (111)-7 X 7重构处理方法获得；
步骤S12，在制备好的Si (111)-7 X 7重构表面上蒸发少量(约0.3个单层)的银原子并进行退火处理(退火温度约300度)，从而形成R3-银/硅表面衬底。其中，可以通过扫描隧道显微镜或低能电子衍射等设备来检测重构表面的生成情况，如图6 (a)左下角显示的就是利用扫描隧道显微镜对所述R3-银/硅表面衬底重构检测得到的形貌图。步骤S2，在制备好的所述R3-银/硅表面衬底上蒸发少量的钴酞菁分子，得到钴酞善-R3-银/娃表面；蒸发时真空压强尽可能小于10_9mbar即在超高真空的环境下，所述钴酞菁分子的覆盖度大约为0.1个单层以下，另外，蒸发时所述R3-银/硅表面衬底可以保持在低温下。在蒸发过程中，可以通过扫描隧道显微镜来检测单个钴酞菁分子的形貌，如图6(a)所示就是利用扫描隧道显微镜得到的R3-银/硅表面单个钴酞菁分子的检测形貌图。步骤S3，在所述步骤S2得到的钴酞菁-R3-银/硅表面上蒸发第一层氧化物，形成氧化层a作为隧穿层；所述氧化层a用于作为图1所示的漏极2与钴酞菁分子4之间的隧穿层5。所述氧化层a—般可选用三氧化ニ铝等材料，也可以使用硫醇分子。为了获得致密的氧化层，所述氧化层a的制备应保持低温环境；可通过一般的分子属外延设备或激光脉冲沉积设备来制作该氧化层。一般来说，所述氧化层a的厚度大约为几纳米。经过上述蒸发后得到的所述氧化层a可以通过原子力显微镜进行检測。如果本发明的单分子负微分电阻效应器件需要増加栅极，则所述氧化层a就需要使用介电常数较大的材料，如氧化铪等。由于所述氧化层a可以很好地保护R3-银/硅表面以及蒸发后的钴酞菁分子不受外界的破坏，因此所述步骤S3之后的步骤均可以在超高真空外的环境中进行。步骤S4，在所述步骤S3得到的氧化层a上蒸发第二层氧化物，形成具有孔洞结构的氧化层b，在该氧化层b上制作孔洞的目的是为了让下述步骤S5中所制备的漏极能够直接接触到所述氧化层a。如图4、5所示。其制作步骤如下:S41，首先在所述氧化层a的钴酞菁-R3-银/硅表面上旋涂ー层电子束负刻蚀胶，厚度约为70nm左右；S42，利用一般电子束刻蚀技术曝光做出孔洞的图形；S43，刻蚀孔洞的图形后，利用一般的磁控溅射技术或原子层沉积技术得到所述具有孔洞结构的氧化层b。所述氧化层b的厚度大约在50nm以上，所述氧化层b可以选用导电性差但介电常数比较小的材料。步骤S5，在所述氧化层a和所述氧化层b上制备漏极，由于漏极的面积较小，因此可采用一般的电子束刻蚀技术来制备漏极；所述漏极的材料一般选用金。所述制备漏极的步骤进一歩包括以下步骤:步骤S51，在具有所述氧化层a以及所述氧化层b的钴酞菁-R3-银/硅表面上旋涂ー层电子束刻蚀胶，该胶为正胶，材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，厚度约为200nm ；步骤S52，利用一般电子束刻蚀技术曝光做出图1中漏极2的电极图形，如图5所示；
步骤S53，刻蚀所述漏极2的电极图形后蒸发钛/金原子，得到所述漏极2，其中，蒸发的厚度约为:钛原子层为5nm,金原子层为lOOnm。在制备漏极的过程中，漏极的面积要尽可能小，所述漏极与所述氧化层a直接接触部分的尺寸大约在30 50nm左右，这一面积大小接近一般电子束刻蚀技术的极限。图5中，所述漏极边梯形部分主要为引出电级a，用干与下述步骤S6制备得到的引出电极b连接使用，所述引出电级a—般大小在80 IOOnm左右，由于所述引出电极a仅与所述氧化层b直接接触，因此不会对分子的电输运性质起作用。另外，可以将所述漏极的电极图形一次性曝光多个，制备多个漏极，从而加大所述漏极接触单个钴酞菁分子的几率。步骤S6，在所述的氧化层b上制备引出电极b，用于连接测试源表；所述引出电极b的主要作用是将所述引出电极a和外接測量电路连接使用，所述引出电极b的制备需要再次使用电子束刻蚀技术，刻蚀图形如图5所示。所述电子束刻蚀的条件和前面相同，刻蚀胶为正胶。并且在刻蚀所述引出电极b图形后蒸发钛/金原子。步骤S7，将所述引出电极b和R3-银/硅表面衬底与测试源表连接；按上面的所有步骤完成后，将测试源表中的一端连接引出电极b，另一端连接R3-银/硅表面衬底上。通过改变測量电压Vds来测量电流I的变化，从而获得1-V曲线。由于所述隧穿层5的存在，电流的大小在纳安量级，因此在测量电流时需要加入前置放大器。如上所述，在步骤S5中，为了加大漏极与单个钴酞菁分子的接触几率，漏极的电极图形一次性曝光了多个，而依据下文可行性论证中所涉及的结果显示，在没有加栅极吋，负微分电阻应出现在-0.7V左右的位置。根据这ー标准可以选出具有性能良好且性质重复的漏极的分子器件，为接下来的步骤S8所涉及的栅极制备提供性能有效的样品。步骤S8，在电输运性质较理想的单个钴酞菁分子两边刻蚀出用于制作栅极的孔洞，并在所述孔洞中制备栅极，从而最終得到单分子负微分电阻效应器件。所述栅极的制备比较困难，主要是因为单个钴酞菁分子垂直于源漏电极，因此栅极只能从单个钴酞菁分子的侧面加入，当然这也增加了本发明单分子负微分电阻效应器件制备エ艺的复杂性。另外，由于R3-银/硅表面衬底也具有表面态和体内的带隙，在调控单个钴酞菁分子能级时可能会使R3-银/硅表面衬底的费米面发生调控，因此栅极在施加时不能与所述的源漏两电极接触。本发明提出了以下方案来制备本发明单分子负微分电阻效应器件的栅极:步骤S81，使用电子束刻蚀技术，在电输运性质较理想的单个钴酞菁分子两边刻蚀出用于制作栅极的孔洞，该孔洞的大小应控制在50 lOOnm，深度为约IOOnm左右(所述刻蚀的厚度应大于所述氧化层b的厚度)，其中，电子束刻蚀胶选用正胶，在剥离刻蚀胶以后，将所述刻蚀后的样品放入离子束刻蚀机中进行刻蚀。步骤S82，在步骤S81刻蚀得到的区域内制备ー氧化层C，并在氧化层c所在的区域蒸镀门电极，从而制备得到栅极；由于刻蚀之后，步骤SI得到的R3-银/硅表面衬底已经部分裸露，此时如果直接蒸镀门电极会使栅极和漏极的衬底之间发生短路，因此需要在步骤S81刻蚀得到的区域内制备ー氧化层c来防止栅极与所述R3-银/硅表面衬底之间发生击穿。所述氧化层c的厚度大约在50nm左右，可通过原子层沉积技术来实现。在制备得到所述氧化层c以后，再次通过电子束刻蚀技术对氧化层c所在的区域曝光门电极，曝光时使用正刻蚀胶，然后在曝光之后蒸镀门电极，从而得到最終的单分子负微分电阻效应器件，本发明实际组装后分子器件各部位的结构示意图如图5所示。上述制备方法除了用于制备本发明单分子负微分电阻效应器件，还可适用于制备一系列具有完整结构衬底上的单个分子和团簇的电输运器件。为了验证本发明单分子负微分电阻效应器件的可行性，基于本发明的单分子负微分电阻效应器件进行了实验，实验中本发明单分子负微分电阻效应器件的1-V特性(如图6 (b)所述)是在Omicron公司的低温扫描隧道显微镜上获得的，实验分别在5K和77K的温度下进行。在该实验中，针尖相当于步骤S5中制备的漏极，针尖与单个钴酞菁分子之间的真空隧穿层相当于步骤S3中制备的氧化层a。经过扫描隧道显微镜中对于单个钴酞菁分子在R3-银/硅的1-V谱的测量，本发明单分子负微分电阻效应器件目前出现负微分电阻的位置主要在-0.7eV,图6(b)中，横坐标为做谱偏压V，纵坐标为隧穿电流I，从图中可看出，在做谱偏压为-0.7V时谱线表现出明显的负微分电阻效应。在先前的很多实验研究中，负微分电阻效应可能由针尖的ー些特殊电子态或吸附在针尖上的分子引起。这种情况下负微分电阻效应会強烈依赖于针尖的隧穿条件。但在本发明的实验中，负微分电阻效应并不依赖于针尖的变化。实验中在更换了几种不同的针尖后发现，负微分电阻与针尖没有任何依赖关系。换用空酞菁分子后，在分子瓣上的苯环并没有观察到任何负微分电阻效应。因此这只可能与钴酞菁分子中二价钴离子的特殊电子态有关。进ー步的研究也证明在单个钴酞菁分子与其它的衬底上，1-V谱上并没有发现负微分电阻效应。因此钴酞菁分子与衬底之间的界面，也就是钴酞菁分子能级与衬底表面态之间的相互关系是引起负微分电阻效应的关键。由于本发明制作出的这类具有负微分电阻特性的单分子器件体积小，性能高，可以广泛地应用在今后的基于纳米材料的电子线路中。例如在现有的负微分电阻特性的电子元件可广泛应用在共振隧道ニ极管，共振隧道晶体管，共振带间隧道器件，高频振荡器，逻辑门，单电子开关等器件的制造中。因此随着电子器件的微小化，智能化，这种单分子器件将会越来越多地应用在今后的器件生产上。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进ー步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于娃-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件，其特征在于，该单分子负微分电阻效应器件包括:源极(I)、漏极(2)、栅极(3)、钴酞菁分子(4)和隧穿层(5)，其中: 单个钴酞菁分子(4)位于所述源极(I)和所述漏极(2)之间，所述钴酞菁分子(4)的平面与所述源极(1)和所述漏极(2)的连线垂直，所述钴酞菁分子(4)中的钴离子与所述源极⑴接触； 所述漏极(2)与所述钴酞菁分子(4)之间设有隧穿层(5)。
2.根据权利要求1所述的单分子负微分电阻效应器件，其特征在于，所述源极(I)使用R3-银/硅表面。
3.根据权利要求2所述的单分子负微分电阻效应器件，其特征在于，所述单分子负微分电阻效应器件的负微分电阻效应是利用所述钴酞菁分子(4)中的ニ价钴离子dz2轨道的态密度和所述R3-银/硅表面的SI表面态之间的共振产生的。
4.根据权利要求1所述的单分子负微分电阻效应器件，其特征在于，所述漏极(2)用金作为电极。
5.根据权利要求1所述的单分子负微分电阻效应器件，其特征在于，所述栅极(3)与所述钴酞菁分子(4)的四个瓣间用高介电常数的氧化层隔开。
6.一种基于娃-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件的制备方法，其特征在于，该方法包括: 步骤SI，制备R3-银/硅表面作为所述单分子负微分电阻效应器件的源极； 步骤S2，在制备好的所述R3-银/硅表面蒸发少量的钴酞菁分子，得到钴酞菁-R3-银/硅表面； 步骤S3，在所述步骤S2得到的钴酞菁-R3-银/硅表面上蒸发第一层氧化物，形成氧化/层 a ; 步骤S4，在所述步骤S3得到的氧化层a上蒸发第二层氧化物，形成具有孔洞结构的氧化层b ； 步骤S5，在所述氧化层a和所述氧化层b上制备漏极； 步骤S8，在电输运性质较理想的单个钴酞菁分子两边刻蚀出用于制作栅极的孔洞，并在所述孔洞中制备栅极，从而最終得到单分子负微分电阻效应器件。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤SI进ー步包括以下步骤: 步骤SI I，在超高真空的环境下制备ー Si (111)-7 X 7重构表面； 步骤S12，在制备好的Si (111)-7X7重构表面上蒸发少量的银原子并进行退火处理，从而形成R3-银/娃表面衬底。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，在超高真空的环境下，在所述R3-银/硅表面衬底上蒸发0.1个单层以下的钴酞菁分子。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氧化层a的厚度在纳米量级，并且制备所述氧化层a时应保持低温环境。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，制备所述氧化层b的步骤进一歩包括以下步骤: S41，在具有所述氧化层a的钴酞菁-R3-银/硅表面上旋涂ー层电子束负刻蚀胶；S42，使用电子束刻蚀机曝光做出孔洞的图形； S43，刻蚀所述孔洞的图形后，利用磁控溅射技术或原子层沉积技术得到所述具有孔洞结构的氧化层b。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述制备漏极的步骤进一歩包括以下步骤: 步骤S51，在具有所述氧化层a以及所述氧化层b的钴酞菁-R3-银/硅表面上旋涂ー层电子束正刻蚀胶； 步骤S52，利用电子束刻蚀机曝光做出漏极的电极图形； 步骤S53，刻蚀所述漏极的电极图形后蒸发钛/金原子，得到所述漏扱。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，按照所述步骤S51-步骤S53制备多个漏扱，以加大所述漏极接触单个钴酞菁分子的几率。
13.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S8中制备栅极的步骤进一歩包括: 步骤S81，使用电子束刻蚀技术，在电输运性质较理想的单个钴酞菁分子两边刻蚀出用于制作栅极的孔洞； 步骤S82，在步骤S81刻蚀得到的区域内制备ー氧化层C，并在氧化层c所在的区域蒸镀门电极，从而制备得到栅极。
14.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述单分子负微分电阻效应器件可以应用在基于纳米材料的电子线路中。
全文摘要
本发明公开了一种基于硅-分子复合体系的单分子负微分电阻效应器件，是一种利用钴酞菁分子中的二价钴离子dz2轨道的态密度和R3-银/硅表面的S1表面态之间的共振所制备出来的一种单分子器件，其包括源极、漏极、栅极、钴酞菁分子和隧穿层，其中单个钴酞菁分子位于所述源极和所述漏极之间，所述钴酞菁分子的平面与所述源极和所述漏极之间的连线垂直，所述钴酞菁分子中的钴离子与所述源极接触；所述漏极与所述钴酞菁分子之间设有隧穿层。本发明同时还提供一种制备上述单分子负微分电阻效应器件的方法。该分子器件的负微分电阻效应很稳定，与衬底的掺杂种类和掺杂浓度无关，且该分子器件体积小，性能高，可以广泛应用在今后基于纳米材料的电子线路中。
文档编号H01L47/00GK103094478SQ201310020439
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月21日 优先权日2013年1月21日
发明者张汇, 王炜华, 纪永飞, 王兵, 侯建国 申请人:中国科学技术大学