分子电子学中的碳基材料_毕业论文正文(编辑修改稿)

分子电子学中的碳基材料_毕业论文正文(编辑修改稿)内容摘要：

可以吸收四个电子， LUMO和 LUMO+1轨道的能量差是很小的。 对于 C60，可以观察到六个可逆的还原过程。 在氧化扫描过程中，使用 1,1,2,2四氯乙烷作为溶剂，观察到一个氧化可逆过程的是 C60，两个氧化过程的是 C70，通过计算第一 次能量下降和第一次氧化过程发生时的能差，可以得出 C60和 C70的 HOMO–LUMO能隙 分别为 eV 和 eV，这些发现体现了C60和 C70丰富的氧化还原性。 更大的空笼富勒烯的氧化还原性同样丰富，用于区分不同的同分异构体，它已经成为一个重要的技术方法。 对于 TNTEMFs的电化学性质， M3N@ C2n（ n39） 不同于空笼富勒烯，这是碳笼的结构不同和金属团簇与碳笼之间的相互作用导致的（见图 ）。 因此，还原过程济南大学毕业论文 5 是化学可逆，电化学不可逆的。 由于 HOMO轨道主要位于三金属氮化物团簇中，氧化过程 发生在低电位， HOMO–LUMO能隙 的很小的。 内嵌金属富勒烯 M@C2n显示出类似的性质，它的 HOMO–LUMO能隙 更小。 图 (a)C60 (上 ) 和 Sc3N@IhC80（下）的循环伏安曲线； （ b)C60和 Sc3N@IhC80的 HOMOLUMO原理能量图。 单个富勒烯分子的电子输运性质 为了更好的了解单个富勒烯分子的电子传输性质 , 从而探索设备应用的可能性，研究单个的富勒烯分子连接到两极的电流电压特征是非常重要的。 实验上采用 STM的方法研究电荷通过单个 C60分子的传输。 C60分子的研究有两种不同的方法。 第一种方济南大学毕业论文 6 法， C60分子沉积在金属表面，一个分子与 STM针尖接触，这样就产生了一个栅栏隧道结。 C60富勒烯具有 2 V以上的能隙，因此，它在室温下是绝缘体，但它有一个低能量的 LUMO能级，所以，当 C60分子与金属电极接触，可以发生电荷转移并且电导可以通过 LUMO轨道确定。 其它理论研究已经预测，通过内嵌富勒烯的电荷传输，不同于依赖封装原子性质的空笼富勒烯，因为电荷传输的主要渠道可能是富勒烯碳笼或封装原子。 这些差异可以用的在未来的纳米器件，用于控制电流。 在第二个实验方法中， C60分子沉积在一个绝缘的自组装单层上面，这样就产生了一对串联的栅栏隧道结，并且共用一个电极。 富勒烯单分子器件 分子导线和供体 受体系统 富勒烯独特的性质，在建设照片感应电荷传输系统时，它们是用作电子受体很好的候选材料，这要由于它们的低能量和三重简并的 LUMO轨道，可以很容易的吸收电子 [17]。 另一个重要的属性是，它们在重组后减少的能量非常少，因为其刚性球面的几何结构和电子离域贯穿于整个分子。 根据 Marcus的电子转移理论，低能量的重组有利于电荷分离，并且能延缓电荷重组，从而使电荷长 时间处于分离状态。 因此，许多的富勒烯和富勒烯衍生物已经研究用作电子受体材料（见图 ）。 济南大学毕业论文 7 图 富勒烯分子衍生物 连接供体和受体的桥在许多关键方面起着至关重要的作用。 例如，它们可以在电荷转移过程中消除扩散。 桥的化学性质和长度比供受体的分离、定位、重叠和拓扑更加重要。 有三种不同的情况，第一种是供体和受体部分由一个绝缘桥连接（见图 a）。 绝缘桥能阻止干扰重组和电荷传输，所以具有优越性，而导体桥可能由于本身的化学性质影响电导或电荷传输。 结构不同的分子的氧化还原过程中 ，几个短距离的电荷分离 过程可以代替一个长距离的电荷传输（见图 b） 最后一种情况，采用高度共轭的分子作为分子导线来连接供体和受体（见图 c）。 在这种情况下，电荷分离过程主要是由供受体与连接轨道之间的重叠程度控制。 在这样的系统中，电荷分离通常发生在 LUMO轨道中，并且依赖于 LUMO轨道的能级水平。 相反，电荷重组通常发生在 HOMO轨道中。 图 供体和受体的桥式连结。 (a)绝缘桥； (b)氧化还原梯度桥； (c)高度共轭桥 济南大学毕业论文 8 整流器 通过分子整流能产生三种不同的现象。 第一种，由于肖特基势垒，可以在有 机金属界面形成表面偶极子。 第二种发生在 LUMO轨道，它在传导过程中首先被存储，放在两个金属电极和第三个电极中间，电子转移发生在分子内的 HOMO和 LUMO轨道之间。 最后一种是真正的分子整流，最初由 Aviram 和 Ratner提出。 对 N掺杂和 P掺杂富勒烯的理论研究表明，这些材料可被用于制备一种经典的 NP结，也就是二极管。 二甲基苯胺基 氮杂 [C60]富勒烯有两种不同的整流表现，将它放在两个镀金电极之间，用 LB超薄分子膜技术可以观察到。 在低电位，可使分子整流比率为 2。 但是，如果在较高的电位， 比率可以达到 20200。 晶体管 生成 C60的第一个设备可以认为是一个晶体管，因为它用机电放大器来实现电压放大，一个单一的 C60加上 STM指针，连接到压电传动装置 [18]（见图 ）。 输入电压施加到压电传动装置，阻止 C60分子在铜的表面形成沉积，从而改变了约两个数量级的电导特性，对应约 nm的变形。 该设备可以承受高达几微安的电流，更重要的是，结果证明了对单分子 C60晶体管进行构造和建设的可行性（见图 ）。 图 （ a)单分子 C60机电放大器原理图 ； (b)机 电放大 原理图表示的开关状态 济南大学毕业论文 9 图 （ a）机电单分子晶体管原理图 （ b） C60放大器平面图 单分子 C60晶体管也能通过沉积制造 C60甲苯溶液，甚至可以稀释一对黄金电极。 整个结构建立在 一个绝缘的二氧化硅层的掺杂硅晶片 上，用栅电极调节 C60分子的静电势。 得到的电流电压图解释了在频率为 ， C60分子通过纳米机械振荡，阻止它的金电极表面形成沉积。 总结与未来的方向 富勒烯分子显示了它们在构建纳米级电子器件方面的巨大潜力，因为它们有容易吸收电子的 LUMO轨道，它们的球形结构可以很好地实现自组装过程。 与其它的碳纳米材料相比，富勒烯具有明确的结构，并可以利用完善的化学方法进行高纯度的分离。 随着富勒烯家族中新成员的发现和多样性的增加，新的特性也逐渐呈现。 济南大学毕业论文 10 3 碳纳米管 采用电弧放电技术制备富勒烯，在阴极沉积形成过程中，多壁碳纳米管被发现。 单壁碳纳米管的形成发生在有金属催化剂存在的电弧放电过程中。 由于它们的发现和独特的性质，很多应用已经建议采用碳纳米管。 例如它们的拉伸强度，远远高于钢。 此外，它们的电子特 性更有吸引力。 单壁碳纳米管就像是石墨烯片卷起形成的管状物。 由于石墨烯片具有碳原子的蜂窝结构，不同的石墨烯片能卷起不同的结构。 但是，形成的每一种碳纳米管，都可以用 Hamada的命名来区别 [19]。 在它的命名系统中，将 一个正六边形的中心选为原点 （ 0， 0），与另一个六边形的中心（ M， N）叠加，形成碳纳米管。 有三种类型的碳纳米管。 如果石墨烯片沿着中心轴线卷起，就会产生扶手椅形碳纳米管（ m=n）或者是锯齿形碳纳米管（ m=0）。 如果石墨烯片沿其它的方向（ m， n）卷起，就会产生手性对称的碳纳米管，手性取决于石墨烯片向上 或向下卷起的方向。 碳纳米管的制备和提纯 用掺杂金属催化剂的石墨棒通过电弧放电来制备单壁碳纳米管发现之后，为了研究出生产大量碳纳米材料的其它的方法，人们付出了很大的努力。 主要有以下三种方法：电弧放电法，激光消融法和化学气相沉淀法（ CVD)。 同时，通过火焰制备碳纳米管也越来越受到关注。 用电弧放电制备碳纳米管，用类似的方法也可以制备富勒烯；掺杂的石墨阳极，在压力为 500600毫巴，电流为 100500A的氦气中可以被蒸发掉。 碳纳米管只有在金属催化剂存在的条件下才会形成，其中大部分积累在阴极并且形成不断 增长的沉淀。 金属催化剂的使用多种多样，重量百分含量为 1的 钇 和 物是产量最高的催化剂 [20]。 碳纳米管的电化学性质 了解碳纳米管的电化学性能对于设计电子产品是非常重要的；然而，将碳纳米管作为单独的实体或个体来研究它的电化学性能已经遇到了很多困难。 碳纳米管样品的溶解度极低，电解质溶液的离子强度，表面活性剂的干扰和水介质中有限的电化学窗口都阻碍了碳纳米管电化学性能的研究。 在水和有机电解质中研究碳纳米管的电化学性能，阴极扫描是显示有持续增加的电流产生，这反映了不同的碳纳米管是以一种复杂混合物 的状态存在。 第一次在溶液中研究电化学性质是用可溶性的吡咯烷碳纳米管样品。 这些衍生物显示出的不可逆的还原性质，取决于这些功能化的碳纳米管在电极表面的分解。 理论计算表明，碳纳米管的电化学性能显著影响着它的电子态的能量。 济南大学毕业论文 11 碳纳米管的电荷传输性质 单壁碳纳米管导电性能的预测依赖于它的螺旋性和直径。 同样，碳纳米管表现金属性还是半导体性也取决于 碳纳米管 管是如何螺旋卷起的。 扶手椅 状 碳纳米管体现金属性，其它的 碳纳米管 则体现半导体性。 碳纳米管连接点的电导取决于碳纳米管与金属的。