（有机化学专业论文）有机功能分子的设计、合成及其超高密度信息存储特性研究.pdfVIP

一 北京化工大学位论文原创性声明 f i i ii ii il i tii i i i iiii i 1 1 1 f y 1810 6 9 6 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：盔盏i 鏖 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化j r 大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书尊 1 作者签名：- 二蔓_ 赴 日期：2 = 尘乒一 导师签名： z 甄 日期：竺z ：呈 一 、一 r i q 学位论文数据集 中图分类号 嘲；妒d 严；7 学科分类号 口铷 ， 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 6 9 9 密级 无 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名秦占波学号 2 0 0 4 0 0 0 6 9 9 获学位专业名称有机化学获学位专业代码 o ) ；pj 课题来源国家自然科学基金研究方向有机信息存储材料 论文题目有机功能材料的设计、合成及其超高密度信患存储特性研究 有机功能材料超高密度信息存储、二茂铁，光学非线性、扫描隧道 关键词 显微镜 论文答辩日期 2 0 0 7 6 0 7论文类型 基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位 学科专长 指导教师万有志副教授北京化工大学精细有机合成 评阅人1杨联明 研究员 中国科学院化学研究所有机化学 评阅人2时东霞副研究员中国科学院物理研究所纳米物理 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员会蛳杨联明研究员中国科学院化学研究所 有机化学 答辩委员1 李青教授北京服装学院 锄1 d 磁 答辩委员2唐光诗副教授北京化工大学有机化学 答辩委员3 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和固困家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 、 v 知识产权保护协议书 依据 1 0 1 3b i t s c m 2 ，信息存储膜 0 2 n c = = = n h 图1 1 9d m n b p d a 的分子结构 f i g 1 1 9t h es t r u c t u r eo fd m n b p d a 2 l 3 3 h hu n 北京化工大学硕十学位论文 图1 2 0 在d m n b p d a 薄膜上进行的信息存储，扫描模式是：恒高模式电压脉冲：4 2 v 、1 0m s ， 扫描条件：v b i a s = 0 3 6v ，i t = 0 2 1n a 。信息点人小1 1i l l t i ， f i g 1 - 2 0 t h ed a t ar e c o r d i n gi m a g eo nt h ed m n b p d at h i nf i l m 表面信息存储区域具有低阻抗，而非存储区域是高阻抗，该结果具有良好的重复性 和稳定性。 另外，由于分予尺度上分子或超分子中原予的位置改变与宏观机械过程对应， 加工出来的分予“机器”可以通过热、光化学或电化学的方式激活，m 例因此其 机械转换过程可以由两个( 或多个) 不同结构或构象之间的可逆转化组成，从而形 图1 2 l 化合物的结构及其薄膜的电学特性 f i g 1 - 1 9t h es t r u c t u r ea n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h et h er o t a x a n e h it h i nf i l m 成双稳或多稳态。这些化合物辛要有线状或内锁型体系，如轮烷，索烃等。舯1 最近， 北京化工大学硕士学位论文 c a v a l l i n i 等人旧利用a f m 在轮烷薄膜上实现了超高密度信息存储。施加的力略 超过域值2n n 时，表面产生规则排列的信息点。排除了针尖机械刮檫的可能性( 3 t o4n n ) ，实现的存储密度达到1 0 0 g b i t m 2 。 2 0 0 5 年，中科院物理所的丰敏等人合成了如图1 2 l 所示的有机化合物( t h er o t a x a n e ， h i ) 。他们研究了该化合物在i t 0 玻璃上的薄膜的电学性质，表明其具有良好的电 开关性质，( 如图中b 所示) ，且其转换时间非常短，约为6 0 n s ( 如图中c 所示) 。 最后，他们利用s t m 在其薄膜上实现了信息存储旧1 ，如图i 2 0 所示。 图1 2 1c d h a b 分子的结构 f i g 1 - 2 1t h e s t r u c t u r eo f c d h a b 及信息存储 t h i nf i l m sa n dt y p i c a li - v i i ) o nt h er e c o r d e dr e g i o n s 图1 2 2c d h a b 分子薄膜的t 叫及电子衍射图像 f i g 1 - 2 2t h et e m a n de l e c t r o n d i f f r a c t i o ni m a g eo f c d h a bt h i nf i l m 2 0 0 4 年，中科院化学所的温永强等人合成了一种分予( c d h a b ) 结构如图1 2 l 所 示) ，并且成功地运用分子自组装的方式得到了大面积的高质量薄膜。并通过透射 电镜( t e m ) 和扫描隧道显微镜( s t m ) 下段证实了该薄膜的单晶结构( 如图1 2 2 所示) 和分了排列方式( 如图1 2 3 所示) 。 b c 图1 附- 2 3a 舶：燃赫篮蔚i t c 端群黧燃寥 最后，他们成功地用s t m 在该薄膜上写入的直径约为2 2 n m 的信息点删( 如图l _ 2 4 所示) 鼹i 爱鬻 鼹鬻毒鬻 墓鋈凌滋 删及吡裟 黼 黼鬻撼 llllllllllllllllllllllllllllll【 一一 北京化工大学硕士学位论文 n m e 2 图l - 2 5 有机分子t d m e e 的分子结构 f i g 1 - 2 5t h es t r u c t u r eo f t d m e e 2 导 垂 6 v o l t a f 图l - 2 6a ) 利用s t m 写入的信息点 b ) 信息写入前后薄膜的微观电流性质 f i g l 2 6a ) s t mi m a g eo fan a n o s c a l e ”vp a t t e r nr e c o r d e do nt h et d m e et h i nf i l m b ) t y p i c a l i 。vc h a r a c t e r i s t i c sm e a s u r e di ) o nt h eu n r e c o r d e da n di i ) o nt h er e c o r d e dr e g i o n s 图l - 2 7 a ) t d m e e 薄膜的t e m 及相心的电子衍射图像 f i g 1 2 7a ) t h et e ma n de l e c t r o n - d i f f r a c t i o ni m a g eo f t d m e et h i nf i l m 2 0 0 5 年，中科院化学所的姜桂元等人制成了刚性有机分了t d m e e ( 结构如图 l 2 5 所示) 的薄膜，并在该薄膜上实现了平均信息点径为2 1 啪的信息存储1 ( 如图 2 5 北京化t 大学硕士学位论文 1 2 6 所示) 。 同样，该作者也通过透射电镜( t e m ) 证实了该薄膜为晶态薄膜( 如图1 - 2 7 a 所示) ， 并给出了该刚性分了的排列形式( 如图1 - 2 7 b 所示) b i 图1 2 7b ) t d m e e 晶态薄膜巾的分子排列方式 f i g 1 - 2 7b ) t h ep a c k i n ga r r a n g e m e n to f t d m e em o l e c u l e si nt h ec r y s t a l l i n et h i nf i l m 1 2 4 多重响应的有机信息存储材料： 近年来随着探测于段的不段提高和信息写读方式的逐步多样化，运用化合物 的多重物理响应进行信息存储，以提高其存储密度已成为国际研究的热点之一其 化学信号( 磁信号、电信号或光信号) 一 图1 2 8 功能材料的多重响应图示 f i g 1 - 2 8t h em u l t i p l e - r e s p o n s eo f f u n c t i o n a lm a t e r i a l 大体机理是运用目标分予接受一种激励会同时导致两种或多种物理的或化学的变化 响应。如上图1 2 8 示。 我们知道，实现信息存储的关键是要具有“0 、l 一两种可以区分的稳定状态， 即在外场( 光、电、磁等) 的作用下，能够从一种状态变化成另一种状态，并且这 两种状态能够对应不同的光、电、磁特性或者其它方面的响应，以便识读即可识 读的双稳态是信息存储的基础。那么当两种或多种响应同时是可读的双稳态时，我 北京化工大学硕士学位论文 们就可以将其开发为多重响应的信息存储材料，从而大大地提高信息存储的密度。 例如，s c i e n c e ( s c i e n c ev o l2 9 62 4m a y2 0 0 2 ) 报道的m a g n e t o o p t o e l e c t r o n i c b i s t a b i l i t yi nap h e n a l e n y l b a s e dn e u t r a lr a d i c a l ，用热作为外场刺激手段，分别得到 了光、电、磁响应的双稳态。该化合物的结构及产生双稳态的机理如图1 2 9 所示。 可见，该化合物电、磁、光的变化源于分子自由基的配对与否，而自由基的配 对与否则是通过在外场热的刺激下，并且在适当的空间距离条件下，两个分予的自 由基发生配对，从而在电、光、磁上形成一种与单自由基状态下不同的另一种稳定 态。然而作者只是发现了该化合物存在双稳态，t u 并未将这些双稳态实际应用于信 息存储。 尝一一 成成 ) f 、1 lx 几 r 一 叫卜厂- h -叫卜厂、- ! 一静 严“一一“” l ! 一净 卫e 芝弓= = ) 兰篡f 谤 图1 - 2 9 p h e n a l e n y l b a s e dn e u t r a lr a d i c a l 的结构式及产生双稳态的转变图 f i 口1 2 9t h es f n - c h i r 鬯o fp h e n a l e n v i r a s e dn e u t r a lr a d i e a la n dt h ee h a n 口eo fh v nt t a t t 2 0 0 5 年，中科院化学所的姜桂元等人仍以化合物d d m e 为目标分了，不仅得到 了该化合物所形成薄膜的双重双稳态，而且分别利用s t m 和双光_ 了激发的方式成功 地在其薄膜上实现了电学性质的信息存储( 存储图像如图1 3 0 所示) 和二维的光学 信息存储( 存储图像如图1 3 l 所示) 北京化工大学硕士学位论文 三硇4 0 墓： o - 4 0 1 由由5n oo ji o v o l t a g e j v 一 图1 3 0a ) 在d d m e 薄膜上形成的2 2 的信息点图像。信息点的平均点径为6 唧，扫描条件为： v b i a s - - 0 4 0 4v i r e s 0 0 4n a tv o l t a g ep u l s e3 1vf o r1 0m s b ) 信息存入前后的原位i v 曲线。曲线i 和i1 分别足非存入区域和存入区域的i - v 曲线 f i g 1 - 3 0a ) s t mi m a g eo fa2 x 2p a r e mi nt h ed d m e t h i nf i l m b ) t y p i c a li - vc h a r a c t e r i s t i c s m e a s u r e di ) o nt h eu n r e c o r d e da n di i ) o nt h er e c o r d e dr e g i o n s 圈冒冒量量 圜 图l - 3 la ) 利用双光子照射在p m m a 薄膜写入的字母。i ，c 。c ，八s ” b ) 写入信息后薄膜的切面图像 f i g 1 - 3 1a ) l e t t e r i , c ，c , a , s w r i t t e nb y