CN1881643B - 功能分子元件,功能分子元件的制造方法以及功能分子器件 - Google Patents
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Abstract
本文揭示了一种降低了组成分子和电极之间的接触电阻的功能分子元件，其制造方法，以及一种功能分子器件。该方法包括以下步骤。由卟啉类的近似平圆形骨架和挠性侧链(烷基链)组成的π-电子共轭分子(一种线型四吡咯)，在电极表面上形成紧密结合的分子单层。通过π-π重叠在此单层上堆叠与所述π-电子共轭分子相同或不同种类的π-电子共轭分子以形成阵列结构。上述步骤的结果是，组成阵列结构的第一分子层的π-电子共轭分子取一定的构型，使得挠性侧链吸附在电极表面上，所述平圆形骨架的取向平行于电极表面，并结合在电极表面上。构成阵列结构的第二分子层和随后的分子层的堆叠方向被π-π相互作用所控制。
Description
相关申请交叉引用
本发明包含涉及于2005年6月13日向日本专利局提交的日本专利申请第JP2005-172629的主题，该申请全文参考结合入本文中。
技术领域
本发明涉及一种在电场的影响下能够改变电导率的新颖的功能分子元件及其制造方法，还涉及一种功能分子器件。
背景技术
近来出现了一种被称为纳米技术的新技术，这种技术用来观察、制造和利用10-8米＝10纳米级的微结构。
扫描隧道显微镜是在20世纪80年代末发明的一种极高精确度的显微镜，用这种显微镜可以对单个原子和分子进行观察和操作。
实际上已经报道了使用排列在晶体表面上的原子书写字母。尽管具有这种能力，但是通过对大量原子和分子进行单独操作来制造新材料或组装新器件并不实际。
为了通过对原子或分子或其基团进行单独操作以制造极小的纳米级结构，需要有用于超精密制造的新技术。有两种适于纳米级精度的显微加工的体系。
一种是所谓的自上而下体系(top down system)，该体系在相关领域中一直被用来制造各种半导体器件。例如通过极为精密的蚀刻至极限，由硅晶片制造集成电路。另一种是所谓的自下而上体系，该体系设计由原子和分子作为极小的组分来组合所需纳米结构。
Moore定律(在1965年，由因特尔公司的共同创建人Gordon Moore提出)提出了通过自上而下体系能达到的纳米结构的极限尺寸，该定律限定芯片上晶体管数量每18个月便会翻番。事实上，自1965年以来的30年中，晶体管的集成率一直在如Moore定律所述地增加。
根据Semiconductor Industry Association(SIA)出版的对未来15年的International Technology Roadmap for Semiconductor(ITRS)2005 Edition，认为Moore定律将持续有效。
ITRS由至2013年的近期规划(roadmap)和至2020年的长期规划组成。前者预计在2013年，DRAM半间距(half pitch)将为32纳米。后者预计在2020年DRAM半间距将缩减到14纳米。
随着微制造程度的进一步提高，可制得运行更快而能耗更少的半导体芯片。另外，改进的微制造可以由一个晶片制造更多的产品，从而降低了生产成本。这是微处理器制造商在新产品的处理规则和晶体管集成度方面进行竞争的原因。
在1999年11月，美国的一个研究小组公开了微制造技术研究方面的一个划时代的研究结果。该技术由Berkeley的加利福尼亚大学计算机科学专业的Chenming Hu教授及其团队开发。其目的是设计被称为FinFET的场效应晶体管(FET)上的栅极。该研究成果使得在单个半导体芯片上的晶体管数量可达此前技术的400倍。
所述栅极是一种用来控制FET通道中电子流的电极。根据现有的常规设计，栅极以平行于半导体表面设置，使其控制来自一面的通道。这种栅极设置的缺点在于，栅极不能切断电子流，除非其比规定的长。因此，栅极长度(gate length)一直被认为是限制晶体管小型化的一个因素。
与之相反的是，FinFET具有叉形栅极(fork-shaped gate)，其拥有两个面之间的通道，以进行有效的通道控制。这种结构可以进一步减小栅极长度，相对于相关技术领域能使晶体管更加微型化。
上述研究小组提供了栅极长度为18纳米的原型FET，该栅极长度是现有普通栅极长度的十分之一。这一成果相当于ITRS的长期规划中所预计的2014年的尺寸。Chenming Hu教授及其团队希望他们的新技术能够被半导体工业广泛接受，因此未对他们的发明要求专利。这使得FinFET可能成为制造技术的主流。
另一方面，专家预计Moore定律不再作为自然规律生效的时刻即将到来。
由于目前用于半导体芯片的主要技术包括在硅晶片上光刻形成电路图案，为了进一步小型化需要提高分辨率。因此需要开发一种使用较短波长的光的实际技术。
在增加集成度中所包括的另一问题是过度的放热，这会导致在高温下发生故障和热致破坏。
另外，一些专家预言以目前的速度持续的半导体芯片小型化会达到一个设备成本和加工成本增大，同时生产率降低的阶段。结果半导体工业在2015年左右将无法获利。
近来指出的另一个问题是线路边缘粗糙度(即在图案边缘周围的微小不规则)。对于光刻胶掩模表面上的不规则，据称由于图案尺寸比以前减小了很多，因此组成光刻胶的分子的尺寸以及化学增强的光刻胶中酸的扩散距离变得很关键。另一个重要的问题是器件的性能取决于图案边缘的不规则的周期。
为解决上述自上而下体系中的瓶颈，正在开发一种新技术，这种新技术能够通过来自自下而上体系中的单个分子，使单个分子能够作为电子部件和构建电子器件(例如分子开关)。
对通过自下而上体系由金属、陶瓷或半导体制造纳米结构的技术的研究也在进行之中。如果能够通过自下而上体系将数百万种不同尺寸和功能的分子组合起来，可以设计和制造出完全不同于相关领域中器件的(分子)器件。
导电分子各自的宽度仅为0.5纳米，远小于目前的IC技术中所达到的约100纳米的线宽，这种导电分子有可能得到数千倍的高密度配线。另外，如果将单独分子用作存储元件，有可能得到容量比DVD大10000倍的记录器件。
分子器件是化学合成的，这不同于相关领域中的硅半导体器件。世界上的第一个聚噻吩(聚合物)有机晶体管是Mitsubishi Electric公司的Hiroshi Koezuka在1986年研制的。
另外，Hewlett-Packard公司和洛杉矶的加利福尼亚大学的研究小组研制出有机电子器件，于1999年7月发表在Science上，并申请了专利。(参见美国专利第6256767B1号和美国专利第6128214号)。它们还用数百万个轮烷分子(其为有机分子)组成的分子膜制造了开关，并通过将它们连接起来完成了AND栅极(作为基本逻辑电路)。
美国Rice大学和耶鲁大学的联合小组制造了一种分子开关，这种开关在电场中随着电子注入时分子结构的变化执行开关作用。它们在1999年11月在Science期刊上发表了该结果(见J.Chen，M.A.Reed，A.M.Rawlett和J.M.Tour.“Large on-off ratios and negative differential resistance in a molecular electronicdevice”，Science，1999，第286卷，第1552-1551页)。这种分子开关具有Hewlett-Packard公司和洛杉矶的加利福尼亚大学的研究小组所未达到的反复开关的功能。另外，其尺寸是常规晶体管的百万分之一，其小巧将对小型高性能计算机有所帮助。
进行了成功合成的J.Tour教授(Rice大学，化学)提出，由于制造分子开关时不需要昂贵的净化室，因此分子开关的成本可仅为相关领域中半导体成本的千分之一。他计划在5-10年内制造(由有机分子和硅组成的)混合型计算机。
Bell实验室(Lucent Technologies Inc.)在1999年由penthacene单晶制成了有机薄膜晶体管。
迄今为止广泛研究过的具有电子元件功能的分子器件主要限于被光、热、质子或离子驱动的分子器件(如Ben L.Feringa编辑的“Molecular Switches”，WILEY-VCH，Weinheim，2001所述)，它们仅包括很少一些被电场驱动的例子。
在分子器件中仍然存在上述线路边缘粗糙度的问题，随着图案的进一步小型化，该问题将越加严重。避免分子器件中此种问题的一种常规方法是在分子的端部引入巯基，从而与金电极直接连接(参见M.A.Reed，C.Zhou，C.J.Muller，T.P.Burgin和J.M.Tour，“Conductance of a molecular junction”，Science，1997，第278卷，第252-254页)。由于这些分子器件由小于粗糙度的最小单元组成，它们的重现性优于无机材料的器件。
然而，问题是无论该分子本身是否具有良好的电性质，巯基与金电极之间的电连接都会有很大的电阻，这使得无法提高分子器件的特有性质。(参见J.M.Wessels，H.G.Nothofer，W.E.Ford，F.von Wrochem，F.Scholz，T.Vossmeyer，A.Schroedter，H.Weller和A.Yasuda，“Optical and electrical properties ofthree-dimensional interlinked gold nanoparticle assemblies”，Journal of theAmerican Chemical Society，126(10)，第3349-3356页，2004年3月17日)。
相关领域中被电场驱动的大多数分子元件以如下方式工作，即组成分子的电子态在电场的影响下发生变化，这种变化又改变两个(或更多个)电极之间的电导率。例如对于有机场效应晶体管(有机FET)，作用在通道区域中的有机分子上的电场改变了有机分子中载流子的运动。分子元件的运行特性受到组成分子和电极之间接触电阻的很大影响，如上所述，这种电阻是非常大的。
本发明人之一已提出了一种功能分子元件，这种功能分子元件能够用作随电场影响下分子结构的变化来接通和切断电流的分子开关。然而，很清楚即使是基于这种新的原理的功能分子元件，其运行特性仍然要受到组成分子和电极之间的大的接触电阻的影响。
即使如太阳能电池中那样，在相对的电极之间插入用来流动电子的分子层的情况下，仍然需要使有机分子和电极之间的接触电阻最小。
发明内容
鉴于上述内容完成了本发明。要求提供一种具有能够减小组成分子和电极之间的接触电阻的新颖结构的功能分子元件及其制造方法，还需要提供功能分子器件。
根据本发明，提供了一种功能分子元件，该元件包括电极和固定在电极之间的π-电子共轭分子，π-电子共轭分子各自具有一个平面的(或近乎平面的)骨架以及与平面骨架相连的侧链，还形成了一个吸附分子，所述平面骨架的取向与电极基本平行，侧链吸附在电极上，从而所述由电极和至少吸附分子组成的结构允许电流沿垂直于平面骨架的方向流动。
根据本发明，还提供了一种制造上述功能分子元件的方法，该方法包括以下步骤：制备包含足够浓度的π-电子共轭分子的溶液；使该溶液与电极接触；蒸发掉溶液中的溶剂，从而形成多个π-电子共轭分子层，该分子层的层数与浓度成比例。
根据本发明，还提供了一种功能分子器件，组成该功能分子元件的结构具有作为电极的相对电极。
根据本发明，所述功能分子元件由π-电子共轭分子形成，该共轭分子各自具有一个平面(或接近平面的)骨架和连接在骨架上的侧链，该侧链吸附在电极上，使得平面骨架的取向大致与电极平行。从而使得π-电子共轭分子与电极紧密粘着，使得π-电子共轭分子和电极之间可以平稳交换π-电子。
因此，本发明的功能分子元件减小了吸附分子和电极之间的接触电阻，由电极和至少吸附分子组成的结构使得电流能够沿垂直于平面(或接近平面)骨架的方向有效地流动。顺带说明，所述骨架可固定在两个电极之间，或一个电极和与所述吸附分子组成导体的另一π-电子共轭分子之间。
根据本发明，制造功能分子元件的方法包括以下步骤：制备包含足够浓度的π-电子共轭分子的溶液；使该溶液与电极接触；蒸发除去溶液中的溶剂，从而形成多个π-电子共轭分子层，该分子层的层数与浓度成比例。因此该方法提供了在吸附分子上具有所需层数的π-电子共轭分子层的功能分子元件。
根据本发明，功能分子器件的特征是构成分子元件的结构具有作为电极的相对电极。这减小了电极和吸附分子之间的接触电阻，因此该功能分子元件允许电流沿垂直于吸附分子的平面(或接近平面)骨架的方向有效流过电极。
结合附图阅读以下说明书，可以清晰地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点，附图以举例的方式说明了本发明的优选实施方式。
附图简要说明
图1A是显示根据本发明第一实施方式的功能分子元件10的示意图。图1B是显示不希望有的比较例的示意图。图1C是显示在阵列结构的第一分子层中(吸附的)π-电子共轭分子取向的示意图；
图2是组成根据本发明第一实施方式的阵列结构的π-电子共轭分子的结构式；
图3是根据本发明第二实施方式的绝缘栅极场效应晶体管的截面图；
图4A是显示组成根据第一实施方式的功能元件的π-电子共轭分子结构的不同的示意图，图4B是显示组成根据本发明第三实施方式的功能元件的π-电子共轭分子结构中不同的示意图；
图5是根据本发明第三实施方式的绝缘栅极场效应晶体管的截面图；
图6是显示根据本发明第一实施例，用来形成流延薄膜的溶液的浓度与将会在流延薄膜中堆叠的分子层数的关系的图；
图7A是显示通过边缘吸附在电极表面上的π-电子共轭分子7的结构示意图，图7B是显示通过其面吸附在电极表面上的π-电子共轭分子7的结构示意图，图7C是显示用其边缘和面吸附在电极表面上的π-电子共轭分子7的结构示意图；
图8是显示根据本发明第一实施例，用来形成流延薄膜的溶液的浓度和流延薄膜在高频区域的IRA光谱的关系的图；
图9A和9B是显示吸附在金电极上的烷基链取向的示意图。图9A是平躺(flat-on)全反式构型的取向的侧视图和透视图，图9B是显示根据本发明实施例1的旁式(gauche)构型取向的侧视图和透视图；
图10A是显示亚甲基的取向方式如何发生变化的示意图，图10B是说明亚甲基的振动方式如何发生变化的示意图，图10C是说明当烷基链是根据本发明第一实施例取平躺全反式构型时，亚甲基在偶极矩方向如何发生变化的示意图；
图11是显示根据本发明第一实施例，用来形成流延薄膜的溶液的浓度与在120℃退火之后测得的流延薄膜在高频区域(与图8相同)的IRA光谱的关系图；
图12是显示根据本发明第一实施例，I2906/I2928与用来形成流延薄膜的溶液的浓度之间的关系的图，前者表示I2906(在2906厘米-1的吸收强度)与I2928(在2928厘米-1的吸收强度)之比；
图13是显示根据本发明第一实施例，流延薄膜的IRA光谱根据退火温度的变化的图；
图14是显示根据本发明第一实施例，I2906/I2928和退火温度之间关系的图，前者表示I2906(在2906厘米-1的吸收强度)与I2928(在2928厘米-1的吸收强度)之比；
图15是说明根据本发明第一实施例，π-电子共轭分子7的立体结构及其特征振动模式的图；
图16A至16C是显示根据本发明第一实施例，流延薄膜的IRA光谱在中等波数区域内随用来形成流延薄膜的溶液浓度的变化情况的图；
图17是根据本发明第一实施例，松散(bulk)形式的π-电子共轭分子7的红外透射吸收光谱(在中等频率区域)；
图18A至18C是显示根据本发明第一实施例，流延薄膜的IRA光谱在最高波数区域中随用来形成流延薄膜的溶液浓度的变化情况的图；
图19是根据本发明第一实施例，以松散形式的π-电子共轭分子7的红外透射吸收光谱(在最高波数区域)；
图20A至20D显示用来在本发明的第二实施例和比较例中制造绝缘栅极场效应晶体管的分子的结构式；
图21A和21B是显示在本发明第二实施例和比较例中绝缘栅极场效应晶体管的源漏电流的特有性质的图。
具体实施方式
根据本发明，所述功能分子元件具有上述结构，在此结构中相同种类和/或不同种类的π-电子共轭分子通过吸附分子骨架中的分子内π-π重叠沿一个方向重叠。这种阵列结构使得电流沿堆叠的方向流动。由于π-电子的相互作用，阵列结构中的分子内π-π重叠使得电流能够沿堆叠方向高效地流动。
需要通过相对电极之间源自吸附分子以及相同种类和/或不同种类的π-电子共轭分子的分子内π-π重叠来形成柱状阵列结构，所述吸附分子位于所述相对电极中的任一个上。
所述功能分子元件应优选由π-电子共轭分子构成，使得上述骨架以及相同种类和/或不同种类的π-电子的共轭骨架通过键合链互相连接。所述结构应当优选具有以下的结构，即使得骨架通过侧链的吸附而基本平行于电极排列，从而形成吸附的骨架。另外，相同种类和/或不同种类的π-电子共轭骨架构成了阵列结构，在此结构中它们沿相对于吸附骨架的一个方向堆叠，使得电流在阵列结构中沿堆叠方向流动。由于π-电子的相互作用，由堆叠骨架形成的阵列结构使得电流能够沿其堆叠方向高效地流动。
希望π-电子共轭分子作为骨架在相对电极之间形成柱状阵列结构，所述相同种类和/或不同种类的π-电子共轭骨架叠加起来，在任一相对电极上具有吸附骨架。
还希望通过栅极场控制电流。在此情况下，功能分子元件可用作传感器来检测此栅极场，或作为绝缘栅极场效应晶体管的一部分，在此晶体管中的结构电导率由栅极场中的变化控制。
上述π-电子共轭分子应优选具有易于吸附到电极上的挠性侧链。
相同种类和/或不同种类的π-电子共轭分子应优选为四吡咯衍生物，酞菁衍生物或包含三个或更多个环的芳族稠合多环化合物。优选的例子包括卟啉衍生物，线型四吡咯衍生物和，晕苯衍生物。典型的例子包括二次甲基胆色素酮(biladienone)衍生物，胆绿素衍生物，胆色烷衍生物，次甲基胆色素衍生物，根皮苷(phlorin)衍生物和二氢卟酚衍生物。
所述卟啉衍生物和线型四吡咯衍生物应优选为具有中心金属离子(特别是锌离子)的络合物。这些络合物形成阵列结构，该结构依据受到或未受到电场作用，电导率会发生很大的变化(或具有通-断开关性能)。因此，该阵列结构用作晶体管。中心金属离子除了锌离子之外，还包括铜离子和镍离子(它们是常规元素和过渡元素的离子)。
需要的例子包括其中上述侧链是以下任意基团的那些：烷基，烷氧基和硅烷基(silanyl group)或其上结合有烷基、烷氧基和硅烷基中任一个的芳环。
上述π-电子共轭分子应优选为以下通式1表示的至少一种二次甲基胆色素酮的衍生物。
(式中R1，R2，R3和R4独立地表示相同或不同的C3-12烷基)。
R1，R2，R3和R4可以是包含3-12个碳原子的任何基团，例如-C10H21和-C12H25。这些包含3-12个碳原子的侧链使得π-电子共轭分子以良好的状态取向，并且固定在电极上，而不发生结晶。另外，这种侧链易于合成。在包含C1或C2侧链时，π-电子共轭分子容易结晶形成缺乏液晶固有的性质、并且以不希望有的方式取向的物质。另外，包含13个或更多碳原子的侧链会阻碍取向，而且很难合成。
根据本发明，所述功能分子元件应优选通过以下方法制备：单独或同时涂敷π-电子共轭分子溶液和相同种类和/或不同种类的π-电子共轭分子溶液，然后蒸发溶剂使得π-电子共轭分子层被相同种类和/或不同种类的π-电子共轭分子层覆盖。如果需要的话，可以使用溶剂从这样形成的π-电子共轭分子层上洗去多余的层。所述成层过程优选以一定方式进行，使得相同种类和/或不同种类的π-电子共轭分子层以自组织方式形成于π-电子共轭分子层上。
在溶剂蒸发步骤之后，应优选在等于或低于90℃的温度下进行退火。如下文的第一实施例所说明的，在此温度下退火会使得侧链(它们吸附在电极上)中更多的烷基链采取平躺全反式构型。这又增加了具有近似平行于电极排列的平面(或接近平面)骨架的吸附分子的比例。
根据本发明，功能分子器件的结构应构造成使得阵列结构与各相对电极电连接。由于阵列结构中π-电子共轭分子的侧链以一定的方式吸附在电极上，使得平面(或接近平面)骨架以近似平行于电极取向，使得该分子与电极紧密接触。这达到了电极与π-电子共轭分子的π-电子的良好接触。而这又减小了电极和π-电子共轭分子之间的接触电阻。
另外，所述功能分子器件应优选具有一电极，用来对阵列结构施加电场以控制电流，该电极沿阵列结构中堆叠加的方向延伸。
根据本发明，所述功能分子器件应优选为绝缘场效应晶体管，其包括：控制电极，形成于该控制电极上的栅极绝缘层，形成于栅极绝缘层上的源电极和漏电极(这二者组成相对电极)，以及置于源电极和漏电极之间的阵列结构。
本发明的功能分子元件不限于上述的有源元件，还可包括无源元件，例如用于电阻和布线的电阻元件和布线元件。
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。
第一实施方式
第一实施方式主要是关于对应于权利要求1-3的功能分子元件。
图1A是根据第一实施方式的功能分子元件10的示意图。图1B是一比较例的示意图。图1C是说明在构成功能分子元件10的阵列结构4的第一分子层中π-电子共轭分子1(或电极上的吸附分子9)的取向示意图。图2是构成阵列结构4的π-电子共轭分子1的结构式。
如图2所述，π-电子共轭分子1的骨架2是基于二次甲基胆色素酮(或4，9-二次甲基胆色素-1-酮)。二次甲基胆色素酮是一种线型四吡咯，其结构对应于开放的卟啉环。该π-电子共轭分子1由骨架2和连接在其上的侧链3(对烷基苯基)组成。骨架2通过π-电子共轭体系构成了卟啉状的刚性的近似平面的平圆形结构。侧链3通过绕C-C轴的分子内旋转构成了挠性链结构。
在卟啉状平圆形结构的中心是M，其表示金属离子，如锌离子。该金属离子并非总是必需的，但是如下面的第二实施例所述，该功能分子元件需要该金属离子以具有开关性质。
图1A是显示功能分子元件10模型的示意图，该功能分子元件10由具有几乎是平圆形平面骨架2的π-电子共轭分子1以及一对电极5和6(例如金电极)组成。在电极5和6之间以一定的方式固定着π-电子共轭分子1，使得平圆形骨架的取向与电极表面平行，从而形成柱状阵列结构4。
已知，构造由π-电子共轭分子(这些分子各自具有像π-电子共轭分子1那样的刚性平圆形(或近似平圆形)骨架)构成的阵列结构，使得平圆形(或近似平圆形)的骨架通过π-π电子相互作用堆叠(以面对面方式)，互相平行相对，在堆叠的骨架中π-电子是离域的。具体来说，各自具有6个或更多个碳原子的烷基长侧链的π-电子共轭分子(像平圆形液晶)以柱体形状堆叠，在堆叠方向具有高电导率。(参见Yo Shimizu，T.Higashiyama和T.Fuchita，“Photoconduction of a mesogeniclong-chain tetraphenylporphyrin in a symmetrical sandwich-type cell”，Thin SolidFilms，331(1998)，第279-284页)。
据报道，金属离子可位于平圆形(或近似平圆形)骨架的中心附近。(参见YoShimizu，“Photoconductivity of Discotic Liquid Crystals：a Mesogenic Long-chainTetraphenyl卟啉and Its Metal Complexes”，Molecular Crystals and Liquid Crystals，370(2001)，第83-91页，S.T.Trzaska，H-F.Hsu和T.M.Swager，“CooperativeChiralith in Columnar Liquid Crystals：Studies of Fluxional OctahedralMetallomesogen”，J.Am.Chem.Soc.，121(1999)，第4518-4519页，以及YoShimizu，“Columnar Liquid Crystal and Its Versatile Molecular Structure andIntramolecular Mutual Action”，Liquid Crystals，6(2002)，第147-159页。)
期望由平圆形(或近似平圆形)π-电子共轭分子(例如卟啉)通过π-π重叠构成的阵列结构可用作为通道链(channel chain)(或管道)，使得电子能够沿堆叠方向流动。与常规的导电链分子相比，本发明的阵列结构具有更大的电流通道，因此可流过更大的电流。研究了其用作太阳能电池的电子通道的应用。
对于用作导体的阵列结构4，如图1A所示，需要使堆叠的方向与电流方向一致(沿连接电极5和6的直线)，使电极5和6上的接触电阻最小，使阵列结构4的端部与电极5和6的表面紧密接触。
由于不含侧链的π-电子共轭分子不能沿所需方向在电极表面上取向和堆叠，因此不能用于该阵列结构。(侧链控制在电极表面上的吸附，并使平圆形骨架以平行于电极表面选择性取向)。否则如图1B所示，尽管产生的阵列结构具有高电导率，但不能传导电流或维持电流。另外，阵列结构端部的π-电子共轭分子的平圆形骨架应尽可能靠近电极表面，其距离小于0.34-0.36纳米。否则在界面上将不会发生电子离域，这阻止了接触电阻的减小。
本实施方式将通过以下方式解决上述问题。首先，如下文中第一实施例说明的，制备了含有足量π-电子共轭分子1的溶液，所述分子具有图2所示的挠性侧链3。然后通过浇注等方法将所得的溶液施用到电极5或6上。蒸发溶剂之后，任选地对涂层进行退火。通过此方法形成了牢固结合在电极5或6表面上的分子单层。(该分子单层被称为吸附分子9)。通过π-π重叠在此吸附分子9上形成π-电子共轭分子，从而形成阵列结构4。对进行堆叠的π-电子共轭分子并无特别限制，只要其能够堆叠在π-电子共轭分子1(或吸附分子9)上即可。在此实施方式中，使用与π-电子共轭分子1相同种类的分子进行堆叠。然而，也可使用与π-电子共轭分子1不同种类的π-电子共轭分子。
如图1C所示，当π-电子共轭分子1(或吸附分子9)的挠性侧链3吸附在电极5(或6)的表面上时，由该分子形成阵列结构4的第一分子层。结果，近似平圆形骨架2的取向平行于电极5(或6)的表面，并固定(或紧密结合)在其上。因此，骨架2的π-电子在电极上离域。这导致减小了阵列结构4和电极5(或6)之间的接触电阻。
阵列结构4的第二分子层和以后的分子层以下面方式放置，即，使得上层的近似平圆形的骨架平行于电极表面上的吸附分子9的近似平圆形的骨架2。这种层排列是由π-π相互作用造成的。因此，这种阵列结构使得电流能够通过π-电子之间的相互作用沿堆叠方向高效地流动。
根据上述实施方式，可制得稳固的功能分子元件10，该元件的π-电子共轭分子和电极之间的接触电阻极小，使得电流能够沿阵列结构4的组元堆叠的方向流动。
第二实施方式
第二实施方式主要是关于对应于权利要求1-3和17-20的功能分子器件，该器件是绝缘栅极场效应晶体管，其中功能分子元件10(在第一实施方式中所述的元件)被固定在相对的电极之间。图3是说明本实施方式的绝缘栅极场效应晶体管20结构的截面图。
图3所示的绝缘栅极场效应晶体管20形成于掺杂的硅基材11上，该基材11还用作控制电流的栅极13。在硅基材11表面上形成有栅极绝缘膜12(或氧化硅膜)。在栅极绝缘膜12上具有相对的金电极(或源电极14和漏电极15)。在这些电极之间是在第一实施方式中说明的阵列结构4。
在构成阵列结构4的π-电子共轭分子1中，最接近源电极14和漏电极15的π-电子共轭分子(对应于第一分子层)固定在这些电极上。(这些分子被称为吸附分子9)。换而言之，如图1C所示，吸附分子9通过其挠性侧链3吸附在电极14或15的表面上。结果，近似平圆形的骨架2的取向近似平行于电极14或15的表面。以这种形式取向的原因是因为骨架2中的π-电子可以在电极中离域。这导致减小了阵列结构4和电极14或15之间的接触电阻。
阵列结构4的第二分子层和以后的分子层以下面方式放置，使得上层的近平圆形的骨架平行于电极表面上的吸附分子9的近似平圆形骨架2。这种层状排列是由π-π相互作用造成的。
因此，在相对的电极(或源电极14和漏电极15)之间形成了坚稳固的阵列结构4，其与电极之间的接触电阻极小，这使得电流只沿堆叠方向流动。
用来控制电流的栅极13以平行于阵列结构4中的堆叠方向(即电流方向)延伸。当施加电压时，栅极13沿垂直于阵列结构4中的电流方向产生电场，该电场控制阵列结构4的电导率。
源电极14和漏电极15之间的间隔(对应于栅极长度)约为10纳米(约等于10个分子层)。
该实施方式的功能分子器件的结构为：组成功能分子元件10的阵列结构4排列在相对的电极之间。因此，如上面对功能分子元件10所述的，π-电子共轭分子1与源电极14和漏电极15之间的接触电阻很小。因此其允许源电极14和漏电极15沿阵列结构4中的堆叠方向高效地传导电流。该器件能作为具有极好电性质的纳米尺寸的绝缘栅极场效应晶体管20运行。
第三实施方式
第三实施方式主要涉及对应于权利要求1、4和5的功能分子元件，以及对应于权利要求17-20的功能分子器件，其为绝缘栅极场效应晶体管。
图4A和4B是分别显示构成实施方式1和3的功能分子元件的π-电子共轭分子1和31的结构示意图。
图4A左边的部分是显示π-电子共轭分子1的近似平圆形骨架2的立体结构的示意图。在此图中，构成骨架2的碳原子、氮原子、氧原子和金属离子M用球体表示，图中省去了氢原子，简化了侧链3。π-电子共轭分子1在打开的卟啉环的开裂处具有两个相对的羰基(C＝O)。因此，该骨架2具有略微扭曲出平面外的近似平圆形结构。
图4A的右边部分是显示π-电子共轭分子1如何吸附在电极5(或6)上的示意图，图中扭曲的近似平圆形骨架2简化并近似表示为打开的圆环。另外，在图1C中还将骨架2进一步简化表示为圆盘。
由于所述近似平圆形骨架2限于π-电子共轭分子1中的一种，需要通过分子内π-π重叠，将一个以上的π-电子共轭分子1单元堆叠，形成阵列结构4。
相反的，第三实施方式中所用的π-电子共轭分子31具有两个相同或不同的近似平圆形的骨架2单元，它们通过键合链相连。例如，是由π-电子共轭分子1的两个或更多个单元形成的分子，所述单元通过与羰基相连的键合链32彼此连接。图4B依照与图4A相同的表示方法显示了互相连接的π-电子共轭分子1的两个单元。对相连的分子的数量并无限制；然而，过大数量的分子会难以合成。
尽管出于稳定性的考虑，所述键合链32应优选通过共价键形成，但是并不限于这种键合，只要能够连接该近似平圆形骨架2。
图4B的右边部分是显示π-电子共轭分子31如何吸附到电极5(或6)上的示意图。通过比较图4A的右边部分和图4B的右边部分可以清楚地看出，π-电子共轭分子31依照与π-电子共轭分子1相同的方式固定在电极上，并且朝向电极取向。这种取向是通过以下方式在电极表面上形成紧密结合的分子单层而完成的。首先制备包含足量π-电子共轭分子31的溶液。然后通过浇注等方法将此溶液施用于电极5(或6)。在涂覆步骤之后进行溶剂蒸发和任选的退火。
这样，在π-电子共轭分子31中包含的大量近似平圆形骨架2中的末端一个所连的挠性侧链3吸附在电极5(或6)的表面，使得近似平圆形成骨架2末端的一个的取向与电极表面平行，并结合在电极表面，这与π-电子共轭分子1中的骨架2的情况相同，从而形成吸附骨架33。那些通过键合链32与吸附骨架33相连的余下的近似平圆形骨架2很容易在下面的近似平圆形骨架上堆叠，从而形成阵列结构34。阵列结构34中的骨架2沿一定的方向堆叠，该方向由取向平行于电极表面的吸附骨架33的表面确定。通过这种方式形成的阵列结构34可通过π-电子相互作用沿堆叠方向高效地传导电流。
根据上述实施方式，可以得到稳固的功能分子元件30，该元件的π-电子共轭分子和电极之间的接触电阻非常小，使得能够沿阵列结构34的组元堆叠的方向传导电流。
图5是显示根据第三实施方式的绝缘栅极场效应晶体管40的截面图。绝缘栅极场效应晶体管40具有由π-电子共轭分子31的单层组成的阵列结构34，其中(例如)六个近似平圆形骨架2的单元彼此顺次连接，因此该绝缘栅极场效应晶体管20具有由多个分子层组成的阵列结构4。
除了前文所述外，绝缘栅极场效应晶体管40与绝缘栅极场效应晶体管20相同；因此不再对其详细说明。与绝缘栅极场效应晶体管20类似，π-电子共轭分子31与源电极14和漏电极15之间的接触电阻也很小。因此使得源电极14和漏电极15能够沿阵列结构34中的堆叠方向高效地传导电流。能作为具有优异的电性质的纳米尺寸的绝缘栅极场效应晶体管40运行。
另外，由π-电子共轭分子31的单层(其中近似平圆形骨架2的6个单元互相连接)构成的阵列结构34可以被分别形成于源电极14和漏电极15上的两个单层构成的阵列结构替代，每个单层由一个π-电子共轭分子组成，该π-电子共轭分子包括互连的3个近似平圆形骨架2的单元。
实施例
参照以下实施例更详细地描述本发明。
第一实施例
<功能分子元件的制造>
在此实施例中，由具有近似平圆形骨架2的π-电子共轭分子7(对应于上述π-电子共轭分子1)制造功能分子元件，所述共轭分子由以下结构式2表示。所述π-电子共轭分子7是二次甲基胆色素酮衍生物的锌络合物，具有连接在苯基对位上的十二烷基(-C12H25)(作为挠性侧链3)。
该功能分子元件通过以下方法浇注制造。
首先对玻璃基材(30毫米×30毫米，厚1.1毫米)进行溅射，在其上形成铬层(15纳米厚)。在此铬层上形成金多晶薄膜(200纳米厚)，用作金电极。使用紫外臭氧清洁设备对此涂覆的基材清洁15分钟。
接下来通过浇注在THF(四氢呋喃)的溶液，然后在THF的饱和蒸气压下蒸发溶剂72小时，在玻璃基材的金电极上涂覆π-电子共轭分子7的膜。
图6是显示用来形成流延薄膜的溶液的浓度与在流延薄膜上形成的分子层层数之间关系(通过计算得到)的图。使用用于结构优化分子尺寸的MOPAC2002，通过分子轨道法进行该计算。假定π-电子共轭分子7同时具有边缘吸附(edge-on)构形和面吸附(face-on)构形。使用图6中的图表确定制得由0.2至数十个分子层组成的流延薄膜的溶液浓度。在试验中使用这样计算得到的浓度的溶液制备流延薄膜。
图7A至7C是显示通过边缘吸附模式或面吸附模式吸附在金电极表面上的π-电子共轭分子7的示意图。图7A表示边缘吸附模式，其中近似平圆形骨架2的面8垂直于金电极的表面。图7B表示面吸附模式，其中近似平圆形骨架2的面8平行于金电极的表面。如图7C所示，一般来说，边缘吸附模式包括面8与参照面成大于45°角度的情况，面吸附模式包括面8与参照面成小于45°的角度的情况。已经发现(将在下文中描述)在此实施例中，π-电子共轭分子7以图7B所示的面吸附模式吸附在金电极表面上。
在120℃下退火15分钟或不进行退火的情况下，对上述制得的流延薄膜进行以下测试。
<通过高灵敏度红外反射吸收光谱对取向进行检测>
通过高灵敏度红外反射吸收光谱检测流延薄膜的分子取向。由于表面选择定律，该分析方法只能够灵敏地检测偶极距沿垂直于基材(金电极)表面方向变化的振动模式。可以通过将此红外反射吸收光谱(IRA光谱)与普通松散物质(bulk substance)的透射吸收光谱相比较(该比较说明了与所观察到的光谱相关的振动模式)来收集分子取向的信息。
使用购自Harrick Scientific Product，Inc的RAS附属检测器(入射角75°)检测各流延薄膜样品的IRA光谱。该检测器使用MCT(Mercury Cadmium Telluride)，其分辨率为2厘米-1。测量重复2000至4000次。
<烷基链的取向>
通过检测在高频区域烷基链的吸收光谱来分析取向。
图8是显示用来形成流延薄膜的溶液的浓度与高频区域流延薄膜的IRA光谱之间关系的图表。
应当注意，由最低浓度15.6微摩尔/升的溶液形成的流延薄膜只在2906厘米-1有吸收光谱。该吸收峰对应于CH2的反对称伸缩振动带；然而，在构像转换中，该波数从CH2的反对称伸缩振动带向低波数侧迁移了10厘米-1。另外，未观察到任何对应于CH2对称伸缩振动带的谱峰。
图9A和9B说明了吸附在金电极上的烷基链的取向。图9A显示了平躺式全反式构形的侧视图和透视图。图9B显示了旁式构形的侧视图和透视图。图9A所示的平躺式全反式构形的特征是沿碳链相连的亚甲基互为反式构形，亚甲基的一个氢原子吸附在基材的表面上，使得亚甲基沿一个方向取向。
因此，碳原子以距基材表面约相同的高度排列，这使得包含该碳骨架的平躺结构大都在一个平行于基材的平面内。相反的，图9B中所示的旁式构形是松散物质中最普遍的结构；其与平躺式全反式构形的区别在于亚甲基不能规则取向。
图10A，10B和10C是显示亚甲基取向(其中烷基链为平躺式全反式构形)以及振动模式与在偶极距方向的变化的关系的图。注意到，亚甲基的取向使得两个氢原子在基材表面上互相垂直重叠。因此，图10A所示的CH2反对称伸缩振动造成偶极距在垂直于基材表面方向上的变化，而图10B和10C中所示的CH2对称伸缩振动造成偶极距在平行于基材表面方向的变化。另外，在图10A，10B和10C中，规定白色箭头表示在垂直于基材表面方向上变化的偶极距，黑色箭头表示在平行于基材表面方向上变化的偶极距。
如上所述，由于偶极距在垂直于基材表面方向上的变化的振动模式，使高灵敏度红外反射吸收光谱中具有一个强烈峰。因此，如果烷基链取平躺式全反式构形，只能给出CH2的非对称伸缩振动造成的吸收峰，而不能给出CH2的对称伸缩振动造成的吸收峰。与之相反，如果烷基链为取旁式构形，其中亚甲基的取向不规律，就不会有这种选择性；在此情况下，CH2的非对称伸缩振动所造成的吸收光谱和CH2的对称伸缩振动造成的吸收光谱之间没有区别。
上文说明，由于烷基链取平躺式全反式构形吸附在基材表面上，使得15.6微摩尔/升浓度的溶液形成的流延薄膜不会产生对称伸缩振动造成的吸收光谱。另外，根据观察到到的旁式构形的对称伸缩振动带造成的峰出现在2928厘米-1，而平躺式全反式构形的非对称伸缩振动带造成的峰出现在2906厘米-1，它们向低波数方向发生位移，因此可以假设氢原子因为与构成基材的金原子的相互作用而吸附在基材表面(见M.Yamamoto等人，J.Phys.Chem.B，104，7363(2000))。
从图8应注意到，CH3的反对称伸缩振动、CH2的反对称伸缩振动和CH2对称伸缩振动造成的三个峰分别出现在2960，2927和2856厘米-1。这说明由许多互相堆叠的分子层组成的流延薄膜的主要结构是类似于松散物质的旁式构形(见R.G.Snyder，H.L.Strauss和C.A.Elliger，J.Phys.Chem.，86，5145(1982))。
图11是显示在与图8相同的高频区域中，用来形成流延薄膜的溶液浓度和流延薄膜的IRA光谱(在120℃退火)的关系图。通过比较图11和图8发现，尽管所用溶液的浓度发生变化，IRA光谱的变化极小。实际上，由浓度为15.6微摩尔/升的溶液形成的流延薄膜只在2906厘米-1有一个CH2的反对称伸缩振动造成的小吸收峰。即使由浓度为15.6微摩尔/升的溶液形成的流延薄膜(经过退火)具有旁式构形的甲基。这说明退火改变了吸附的烷基链的结构。
图12是显示退火对I2906/I2928和用来形成流延薄膜的溶液浓度间关系影响的图，前者表示I2906(由于平躺全反式构形造成的在2906厘米-1的反对称伸缩振动带的吸收强度)与I2928(由于旁式构形造成的在2928厘米-1的反对称伸缩振动带的吸收强度)之比。在图12中，黑点表示退火之前的数值，十字叉表示退火之后的数值。水平实线表示松散物质的透射吸收光谱值，垂直的虚线表示预期能够在金电极上形成分子单层的浓度上限。
从图12中可注意到，未退火的流延薄膜由第一分子层(吸附在金电极上)以及第二和上层分子层组成，在第一分子层中大部分亚甲基取平躺式全反式构形，在第二和上层分子层中，大部分亚甲基像松散物质中一样取旁式构形。还应注意，进行了退火的流延薄膜由一些分子层组成，在所有这些分子层中(包括第一层)，像松散物质那样，都是旁式构形占主导地位。
图13是显示由浓度为125微摩尔/升的溶液形成的流延薄膜(由略超过1个的分子层组成)在吸附到基材上的烷基链的脱附温度下，根据退火温度变化的IRA光谱。图14是显示I2906/I2928与退火温度间关系的图，前者是图13所示光谱中在2906厘米-1和2928厘米-1的吸收强度之比值。
从图13注意到，当退火温度从90℃变化到120℃时，光谱发生较大的变化。从图14还注意到，在2906厘米-1的吸收强度I2906(表示存在平躺式全反式构形)在退火温度升高到最高90℃时会增强，当退火温度进一步从90℃增加到120℃时会急剧减小。高达90℃的区域与所报道的相符，即通过退火提高了碳链在基材上的吸附(见上述M.Yamamoto等人，J.Phys.Chem.B，104，7363(2000))。还发现，在90℃至120℃的退火造成烷基链脱附，或者至少将平躺式全反式构形转变为另一种构形。因此，要求在低于90℃的温度下进行退火。
通过中等波数区域的吸收光谱，检测具有近似平圆形的线型四吡咯结构的骨架的取向。
图15是说明π-电子共轭分子7骨架的立体结构以及表示骨架取向方向的振动模式的图。由图15(上部)注意到内酰胺的C＝O键和芳酮的C＝O键发生伸缩振动，使得它们的偶极距分别在垂直于和平行于该骨架的圆盘表面方向上变化。由图15(下部)还注意到吡咯环的C-C键和C-N键发生伸缩振动，吡咯环的C-H键发生面外弯曲振动，使得它们的偶极距分别在垂直和平行于该骨架的圆盘表面方向上变化。
图16A，16B和16C显示流延薄膜的IRA光谱(在中等频率区域)随用来形成该流延薄膜的溶液浓度(在250微摩尔/升，1毫摩尔/升，4毫摩尔/升)的变化。图17是松散形式的π-电子共轭分子7的红外透射吸收光谱(在中等频率区域)。
注意到，随着膜厚度减小，由于内酰胺环A的C＝O键造成的谱带(a)向高频侧位移。这可能暗示内酰胺自由度增大。还注意到，随着膜厚度减小，由于芳酮造成的分子内缔合谱带(b)向高频侧的位移大于松散的分子，而分子内缔合谱带(c)向低频侧位移。这说明随着膜厚的减小，π-电子共轭分子7的分子缔合减小。对于松散材料，谱带(a)和谱带(b)的吸收强度的面积比为1∶6，对于由4毫摩尔/升的溶液形成的流延薄膜，该比例为1∶3，对于由1毫摩尔/升的溶液形成的流延薄膜，该比例为1∶1，对于由250微摩尔/升的溶液形成的流延薄膜，该比例为1∶0.5。换而言之，随着膜厚的减小，内酰胺环的C＝O键造成的吸收强度增大。这说明骨架圆盘表面很有可能取平行于基材的平躺式位置。鉴于如上所述随着膜厚度减小，C＝O键的自由度增加，认为C＝O键的氧原子指向电极表面相反方向。
分别由薄膜的吡咯环的C-C键和C-N键造成的谱带(e)和谱带(f)与松散材料的谱带相比向高频侧位移。这说明吡咯环发生能量增加，从而导致扭曲。对松散材料，由于吡咯环的C-H键造成的oop谱带(g)不会出现，随着膜厚度的减小，该谱带的强度变得更大。该结果表明，π-电子共轭分子7的圆盘表面以面吸附模式结合在基材表面上。鉴于π-电子共轭分子7的苯环垂直于圆盘表面，推断在吡咯环结构中发生扭曲，因此在面吸附结构中应包括位阻现象。
以下的讨论主要是关于在15位与碳原子相连的羟基(-OH)以及在21位与氮原子相连的氨基(-NH)。
图18A，18B和18C是显示流延薄膜的IRA光谱(在最高频区域)随用来形成该流延薄膜的溶液的浓度变化的图，所述溶液浓度为250微摩尔/升，1毫摩尔/升和4毫摩尔/升。图19是π-电子共轭分子7(松散形式)在最高波数区域的红外透射吸收光谱。
在松散材料的透射光谱中具有内酰胺环的N-H和O-H伸缩振动两个谱带。在由4毫摩尔/升的溶液形成的流延薄膜的光谱中，具有强度与松散材料光谱相等的N-H伸缩振动谱带。这说明内酰胺环A沿各种方向取向。另外，O-H伸缩振动谱带向高频侧位移的事实说明分子内缔合的减少。对于由1毫摩尔/升溶液形成的流延薄膜，N-H伸缩振动谱带弱于松散材料光谱中的伸缩振动谱带，这说明内酰胺环A可能沿特定的方向取向。OH基的缔合减少，开始出现游离的OH基。对于由250微摩尔/升的溶液形成的流延薄膜，发生OH基团的缔合和解离，但是难以用强度区分它们。上文说明，内酰胺环A的平面垂直于作为基材的金电极，且OH基在基材上。
已知对于由类似平圆形中心部分和烷基侧链组成的平圆形液晶的结构，经常会发生相对于基材的边缘取向。然而，已经报道了在金基材(与此实施例一样)上唯一地发生面吸附取向(见L.Scudiero等人，J.Phys.Chem.B，104，11899(2000)，L.Scrudiero等人，J.Phys.Chem.B，106，996(2002))。
发现在金表面上发生分子取向，使得π-电子共轭分子7的烷基链以(平躺式)全反式构形吸附，中心部分的平圆形平面发生吸附(面吸附)，内酰胺环的C＝O和OH基团沿与基材相反的方向取向。
上述分析表明，在电极和不含烷基侧链的近似平圆形有机分子之间没有电子交换。(已经报道了在平圆形分子和电极之间的电子交换表现为红外吸收谱带的大的位移。(见J.O.Alben，S.S.Choi，A.D.Adler和W.S.Caughey，Annals.N.Y.Acad.Sci.，第206卷，278(1973)。)
如果适当地考虑烷基链的吸附性，可以用银或铜代替金来制造电极。
第二实施例
本实施例说明了其中的π-电子共轭分子是图20A至20D中标示为7-9中的任一个的绝缘栅极场效应晶体管20(图3所示)的通断性质。作为对比，重复与上述相同的步骤，只是用4-戊基-4’-氰基联苯基(以下简称5CB)代替π-电子共轭分子。源电极14和漏电极15之间的间隙约为250纳米(这相当于200-300个构成阵列结构4的分子层)。认为与电极(在阵列结构4的两端)接触的第一分子层中任何的π-电子共轭分子7至9的取向方式与第一实施例中的第一分子层中π-电子共轭分子7的取向方式相同。还认为中间分子层(不包括在两端的分子层)中的任何π-电子共轭分子7至9的骨架的取向方式与第一实施方式中的第二分子层和随后的分子层中π-电子共轭分子7的骨架2的取向方式相同。由于π-电子共轭分子7至9的构型与平圆形液晶的构型类似，在两端处的骨架2取向的影响由于π-π重叠作用延伸过几百个分子层。
图20A显示了5CB的结构式，图20B显示了π-电子共轭分子9的结构式，图20C显示了π-电子共轭分子8的结构式，图20D显示了π-电子共轭分子7的结构式。π-电子共轭分子7是二次甲基胆色素酮衍生物的锌络合物，其用于第一实施例。π-电子共轭分子8是与π-电子共轭分子7相同的二次甲基胆色素酮衍生物，只是不含锌离子。π-电子共轭分子9是含有锌离子的络合物，其中侧链3是不含挠性烷基链的苯基。
图21A和21B是显示通过对栅极13施加栅电压而连通和断开绝缘栅极场效应晶体管20时源-漏电流IDS变化的图。图21A代表频率为0.01赫兹时的数据，图21B代表频率为0.1Hz时的数据。黑点表示在没有栅电压的情况下测得的IDS，十字叉表示在施加栅电压的情况下测得的IDS。
从图21A和21B注意到，本发明第二实施例中的绝缘栅极场效应晶体管在操作中，使得未施加栅电压时源-漏电流IDS增加到最大值，但是当施加栅极时，该电流会减小。
由π-电子共轭分子7和8所得的结果得知锌离子的作用。在存在锌离子的情况，在未施加栅极的情况下会出现大的源-漏电流IDS。这说明功能分子元件10能够高度地传导电流。另外，当接通和切断栅电压时，源-漏电流IDS会发生大的变化。这说明其有良好的开关能力。相反的是，在没有锌离子的情况下，功能分子元件10传导电流的能力较差，无论是连通和切断栅电压都没有开关功能。
侧链3中烷基链的作用由π-电子共轭分子7和9所得的结果得知。在存在烷基链的情况，功能分子元件10能够高度地传导电流，具有与上述相同形式的开关性能。相反的是，在没有烷基链地情况下，功能分子元件10传导电流的能力较差，在连通和切断栅电压时源-漏电流IDS几乎没有发生变化。
本发明的以上实施方式和实施例说明了由于(近似)平圆形π-电子共轭分子(其具有圆柱形的阵列结构)中的烷基侧链吸附在电极表面上，功能分子元件和功能分子器件中电极和π-电子共轭分子之间的接触电阻减小。
上文已经描述了一种特征是减小电极和组成分子之间接触电阻的新的功能分子元件，其制造方法和一种功能分子器件。它们将在开关、晶体管、存储器和逻辑电路之类的电子器件领域中找到应用。本文所述的材料和原理将用来制造从微米尺寸到纳米尺寸的任何部件。
虽然已经结合本发明优选的实施方式和实施例对本发明进行了描述，但是应当理解它们并非对本发明的范围构成限制，很明显可以在本发明范围内进行修改和改变。
Claims (14)
1.一种功能分子元件，该功能分子元件包括电极和保持在所述电极之间的π-电子共轭分子，所述各π-电子共轭分子具有平面或接近平面的骨架以及与所述平面骨架相连的侧链，所述各π-电子共轭分子还形成吸附分子，所述平面骨架的取向约平行于所述电极，由于所述侧链吸附到所述电极上，使得由所述电极和至少所述吸附分子构成的结构能够使电流沿垂直于所述平面骨架的方向流动，其中所述平面骨架紧密结合到电极表面；
所述π-电子共轭分子是以下通式表示的至少一种二次甲基胆色素酮衍生物
式中，R1，R2，R3和R4独立地表示相同或不同的C3-12烷基。
2.如权利要求1所述的功能分子元件，其特征在于，所述结构是由与所述吸附分子相同种类的π-电子共轭分子和/或与所述吸附分子不同种类的π-电子共轭分子组成的阵列结构，所述π-电子共轭分子通过所述骨架中的分子内π-π重叠，沿相对于所述吸附分子的所述骨架的方向堆叠，所述阵列结构能够使电流沿其堆叠方向流动。
3.如权利要求2所述的功能分子元件，其特征在于，柱状阵列结构由所述吸附分子和与所述吸附分子相同种类的π-电子共轭分子和/或与所述吸附分子不同种类的π-电子共轭分子，通过在电极之间的分子内π-π重叠形成，所述吸附分子存在于所述电极的任一个上。
4.如权利要求1所述的功能分子元件，其特征在于，所述π-电子共轭分子由所述骨架和与所述骨架相同种类的π-电子共轭骨架和/或与所述骨架不同种类的π-电子共轭骨架组成，他们通过键合链互相连接，所述结构是一种阵列结构，该阵列结构具有通过由所述侧链的吸附以近似平行于所述电极的形式排列的吸附骨架，该阵列结构由与所述吸附骨架相同种类的π-电子共轭骨架和/或与所述吸附骨架不同种类的π-电子共轭骨架组成，所述π-电子共轭骨架沿一个相对于所述吸附骨架的方向堆叠，所述阵列结构能够使电流沿其堆叠方向流动。
5.如权利要求4所述的功能分子元件，其特征在于，通过使所述吸附骨架和与所述吸附骨架相同种类的π-电子共轭骨架和/或与所述吸附骨架不同种类的π-电子共轭骨架堆叠，在电极之间形成柱状阵列结构，所述吸附骨架存在于所述电极的任一个上。
6.如权利要求1-5中任一项所述的功能分子元件，其特征在于，所述电流被栅电场的作用控制。
7.如权利要求1所述的功能分子元件，其特征在于，所述π-电子共轭分子的所述侧链具有挠性结构。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述功能分子元件的制造方法，所述方法包括以下步骤：
制备包含足够浓度的π-电子共轭分子的溶液；
使所述溶液与电极接触；
从所述溶液蒸发溶剂从而形成所述π-电子共轭分子的分子层，其层数与所述浓度成比例。
9.如权利要求8所述的功能分子元件的制造方法，所述方法包括以下步骤：
分开或同时施用所述π-电子共轭分子的溶液以及与所述π-电子共轭分子相同种类的π-电子共轭分子和/或与所述π-电子共轭分子不同种类的π-电子共轭分子的溶液；
从所述溶液蒸发溶剂，从而在所述π-电子共轭分子的层上形成与所述π-电子共轭分子相同种类的π-电子共轭分子和/或与所述π-电子共轭分子不同种类的π-电子共轭分子的分子层。
10.如权利要求8所述的功能分子元件的制造方法，所述方法还包括在蒸发溶液之后在低于90℃的温度下退火的步骤。
11.一种功能分子器件，该器件包括阵列结构和相对电极，其中所述阵列结构由权利要求1-7中任一项所述的功能分子元件中的π-电子共轭分子构成。
12.如权利要求11所述的功能分子器件，其特征在于，所述阵列结构与所述相对电极电连接。
13.如权利要求11所述的功能分子器件，该器件包括通过对所述阵列结构施加电场来控制所述电流的控制电极，所述控制电极沿着与阵列结构的组元堆叠相同的方向延伸。
14.如权利要求13所述的功能分子器件，该器件是一种绝缘栅极场效应晶体管，具有形成于所述控制电极上的栅极绝缘层，形成于所述绝缘层上的作为所述相对电极的源电极和漏电极，以及排列于所述源电极和漏电极之间的至少一个所述阵列结构。
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