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    器件微小化有利于實現(xiàn)無缺陷、高性能器件的制備，并最終得到單分子或原子器件，這就需要發(fā)展新的材料和方法來構(gòu)建器件。碳納米管和石墨烯由于其獨特的低維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光電性能，以及其與有機分子材料相似的化學組成和分子結(jié)構(gòu)，可以作為較好的電極材料構(gòu)建微小化的分子電子器件。郭雪峰研究小組近期在微小化有機場效應晶體管研究方面取得系列進展(Adv. Mater. 2010, 22, 20-32)。

    利用精細的電子束刻蝕和精確的氧化切割技術(shù)，可以在單壁碳納米管上準確地切開一個納米級間隙，得到碳納米管分子點電極，從而構(gòu)建功能單分子器件（Acc. Chem. Res. 2008, 41, 1731；Chem. Asian J. 2010, 5, 1040）。在前期工作的基礎上，他們與哥倫比亞大學Colin Nuckolls教授保持合作，選擇液晶HBC分子，構(gòu)建了單根納米柱有機晶體管器件，實現(xiàn)了納米尺度光響應性質(zhì)（圖1）（Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009, 106, 691-696）。通過用HSQ樹脂保護電極或加入微小液滴（直徑約為10μm）的方法確保器件電荷傳輸是通過碳納米管和分子的異質(zhì)結(jié)，排除了金屬電極的影響。由于分子材料具有液晶性質(zhì)，經(jīng)過退火處理，器件場效應晶體管性質(zhì)得到顯著提高。另外，這種以碳納米管作為點電極的柱狀晶體管表現(xiàn)出了良好的光電響應，在超高靈敏的傳感器件和太陽能電池方面有很好的應用前景。

圖 1. 基于碳納米管點電極的柱狀納米晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

    利用相同的電子束刻蝕和氧化切割的技術(shù)，可以將石墨烯切為二維電極來制備納米尺度的有機場效應晶體管。在納米化學研究中心，他們與劉忠范教授合作，首先證明(Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2743-2748)，石墨烯電極可以與有機分子發(fā)生強相互作用，形成良好的接觸界面，從而減小接觸肖特基勢壘，得到了性能優(yōu)越的有機薄膜場效應晶體管器件。為進一步提高器件的綜合性能，需要統(tǒng)籌考慮器件結(jié)構(gòu)，接觸界面，以及有機材料的組裝等多個問題。最近，他們與納米化學中心劉忠范教授和化學所朱道本先生合作，通過引入LB成膜技術(shù)，將自上而下的器件加工手段和自下而上的化學組裝方法巧妙結(jié)合，構(gòu)建了銅酞菁LB單分子膜的有機場效應晶體管(Angew. Chem. Int. Ed. 2010, anie.201001683, online)。該類器件產(chǎn)率高，性能好（有較高的遷移率和開關(guān)比），同時表現(xiàn)出超靈敏的光電響應。這是單分子膜晶體管器件光電轉(zhuǎn)換的首次報道。該組合方法為環(huán)境傳感和光檢測器等器件研究以及發(fā)展納米尺度分子電子器件提供了新的思路。

圖 2. 基于石墨烯電極的單分子膜場效應晶體管結(jié)構(gòu)示意圖