目前,以单晶硅为基础的集成电路已经接近其集成度的极限,并且制造电路需要的技术极其精密和复杂。虽然通过提高并行计算的规模可以暂时满足人们具有超级计算和储存能力的计算机日益增长的需求,但寻求可替代单晶硅并且具有更加优良性能的新型信息技术材料才是彻底解决方案。“自下而上”的方法可以在其合成或组装的过程中对其结构在原子或分子层面上进行精确控制,这是传统的刻蚀法不具有的优势。可预测和可控的纳米结构的生长过程也表明拥有独特化学组成、结构、尺寸和形貌的材料可以被设计组装成为我们所需的特定功能器件和集成电路。这种“自下而上”的途径为提高器件在各个维度上的集成密度提供了新的思路。本文将研究重点聚焦在未来信息存储材料的热点领域,希望充分发挥化学手段在“自下而上”构筑纳米材料方面的优势,以四硫富瓦烯和邻二噻吩等多硫功能分子为基础,制备诸如纳米导线、纳米有机自旋电子学材料、分子磁性材料等多功能材料。研究这些材料的结构和物理性能之间的关系,为它们在逻辑运算和储存器件、自旋电子学器件、分子纳米电子器件等领域的应用扩展知识储备。本论文的主要工作如下：1.基于电荷转移作用和超两亲分子的水溶液自组装构建了多维度的形貌各异的诸如纳米片、纳米棒和纳米纤维等纳米组装体。通过电荷转移特征吸收确定认了四硫富瓦烯衍生物(TTFs,TTFA-TTFD)和甲基紫精(MVs,MV、DMV和HDMV)之间的电荷转移作用。核磁共振氢谱和电喷雾质谱的表征同样说明超两亲分子是由TTFs和MVs的头基通过电荷转移作用和库仑相互作用结合而成。单晶X射线衍射、透射电镜和扫描电镜表征的研究揭示亲水部分中TTFs的连接方式和疏水部分巾烷基链的结构都对纳米组装体的形貌和微观结构有显著影响。此外,通过将金纳米颗粒引入到上述超分子纳米组装中,构建了超两亲驱动的有机-金纳米颗粒组装体系。通过控制加入MVs的量,可以控制金纳米颗粒一维到三维的组装。2. 合成了四硫富瓦烯羧酸配体(L1-3和L1’)修饰的Fe304纳米颗粒,并对纳米颗粒分子结自旋阀集合中的电荷传导和磁电阻性质进行了调控。通过置换油胺(OA)包裹的Fe304纳米颗粒上的油胺得到了TTF-COO-Fe3O4纳米颗粒。在TTF-COO-Fe3O4纳米颗粒中,配体的修饰密度由配体尺寸控制。通过修饰TTF羧酸配体,Fe304纳米颗粒的自旋极化率也得到显著增强。在TTF-COO-Fe3O4纳米颗粒集合中的颗粒间距由TTF配体的几何长度所决定。颗粒间距越小且TTF配体的HOMO和LUMO轨道共轭程度越好的纳米颗粒集合电导率和磁电阻性质越好。TTF的包裹也进一步提升了Fe304纳米颗粒对抗深层氧化的能力,同时也可以通过掺杂碘来增强纳米颗粒分子结自旋阀集合的导电性,进而可以在低温下(<100 K)测量其的磁电阻性质。基于TTF-COO包裹的策略为制备可应用于自旋电子学的具有可调控的电荷传导和磁电阻的稳定Fe304纳米颗粒集合提供了可行途径。3.利用对四硫富瓦烯羧酸配体(TTF-COO-)结构的调整和对组装过程的改变这两种策略,可增强TTF-COO-修饰的Fe304纳米颗粒分子结自旋阀集合的磁电阻。首先,通过将四硫富瓦烯单羧酸配体(L1)换为相同主体结构的双羧酸配体(bL1),增强了纳米颗粒表面的自旋极化率,实现了在不改变其它的物理和化学性质的前提下单独的调控纳米颗粒集合中的磁电阻性质。这种通过精细调控构筑单元来达到单独调控磁电阻的手段是用传统单链羧酸配体、高分子、二氧化硅、有机半导体等来制备自旋阀中间层难以实现的。其次,通过将Fe304纳米颗粒在两亲性四硫富瓦烯的羧酸配体(L1’)的胶体溶液中进行组装,形成了与在一般溶液组装不同的纳米颗粒拓扑结构,降低了分子结自旋阀集合中自旋隧穿的散射作用,在大大增强磁电阻的同时也消除了常温下的库仑阻塞作用。通过不同组装方式改变纳米颗粒拓扑排布进而调控分子结自旋阀集合的电荷传导和磁电阻性质的研究扩展了我们对有机自旋电子学材料制备方法的认识,丰富了调控纳米颗粒分子结自旋阀性能的手段。4.用四硫富瓦烯邻菲罗啉配体(TTF-phen,L4和L5)为第一配体,二氢双(1-吡唑)硼酸钾(K[H2B(pz)2])为第二配体与二价铁离子成功地设计合成了两种自旋交叉配合物[Fe(L4)(H2B(bz)2)2] (Ⅰ)和[Fe(L5)(H2B(bz)2)2](Ⅱ)。利用飞行时间质谱、红外光谱、粉末／单晶X-射线衍射分析、磁性测试、紫外可见光谱、电化学等方法对两种配合物进行了表征和研究。由于L4和L5之间存在的结构差异,使得配合物Ⅰ和Ⅱ的性质,尤其是磁学性质产生了较大差异。静态磁学性质研究显示配合物Ⅰ的升降温χMT-T曲线不重合,导致出现了明显的滞回现象。而配合物Ⅱ则体现出典型的突变型自旋交叉性质,其转变点为T1/2↑=T1/2↓=141K。同时,该类配合物的研究对于发展新型具有氧化还原可调控性的自旋转换配合物,以及研究具有铁磁和导电双功能性质的分子材料提供了一定的理论依据和可能的合成途径。5.用光活性的邻二噻吩邻菲罗啉配体(L6)和稀土乙酰丙酮盐(Ln(acac)3)合成并表征了一系列八配位稀土配合物[Dy(L6)(acac)3] (Ⅲ)、[Tb(L6)(acac)3] (IV)、[Ho(L6)(acac)3](Ⅴ)和[Er(L6)(acac)3](Ⅵ)。这些配合物中的邻二噻吩官能团均能在溶液和晶体状态下通过紫外光和可见光的刺激可逆开关环,同时颜色在无色和紫红色之间可逆转换。对配合物Ⅲ的单分子磁体动态磁学研究发现其具有典型的零场下的慢弛豫单分子磁体特征,其有效能垒约为65.8 K。但是紫外光照射前后,其磁学性质未发生明显变化。