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在传统的CMOS器件不断逼进物理极限的同时，以新原理、新材料、新工艺、新结构为特点的纳米电子器件引起了人们广泛的研究兴趣与热情。分子电子学以其“更小”、“更快”、“更冷”等独特的优点逐渐脱颖而出，成为最重要的研究热点之一。其中，双稳态分子开关以结构简单，且应用面宽广，在分子电子学的研究中占据着举足轻重的地位。本文以电致电阻转变双稳态分子材料和交叉结构器件为出发点，在材料性能、兼容工艺、器件和及电路研制等方面进行了探索与研究，取得了如下的创新研究成果。
1.不同分子材料体系的双稳态开关机理研究以及金属有机复合物AgTCNQ薄膜的合成。
轮烷分子的套环分子在电压驱动的氧化还原反应作用下沿着分子链的运动呈现GSCC与MSCC两种不同的导电状态；M-TCNQ薄膜的开关机理主要是由于电荷转移导致的组分变化；花生酸一高K介质则是由于界面态势垒的变化引起的阻态变化。采用传统的共蒸发技术以及本文提出的旋涂法两种方法分别制备AgTCNQ薄膜，并且通过UV以及IR光谱验证了其组分。
2.分子电子器件制备工艺的研究以及传统“自上而下”(top-down)与新型“自下而上”(bottom-up)工艺相结合的探索。
为了采用金属剥离工艺制备纳米电极，研究了三种电子束双层胶工艺。在传统的Copolymer/PMMA、PMMA/ZEP520双层胶工艺研究基础之上，提出并实现了LOR/ZEP520双层胶工艺，制备纳米电极阵列最小HP(half-pitch)为100 nm，孤立电极最小尺寸66衄。制备了HP250 nm的X射线光刻掩模版，研究了正胶与负胶两种剥离工艺。实验对比了Cr、W、Ti三种不同的保护层材料，优化了保护层工艺。初步研究了侧墙工艺，以及纳米压印模板制备、定向蒸发以及掩模蒸发等特种工艺，为完成器件的制备提供了技术保障。
3.双稳态分子电子器件的制备及其电学特性的研究。
采用掩模蒸发以及紫外光刻的方法制备了基于不同材料体系的分子电子器件，并且观察到可逆、可重复的双稳态开关特性，体现了其在分子存储器中应用的潜力。将高K介质引入花生酸分子体系，形成良好的整流特性，有效的改善了交叉存储器中的误读现象。此外，在这些不同材料器件中，轮烷分子以及花生酸分子一高K介质具有最好的可缩小性(Scalability)，而金属有机复合物AgTCNQ薄膜、偶氮分子薄膜以及质子转移分子薄膜则可应用于大面积、低成本、柔性的有机存储器方面。
4.纳米交叉阵列分子存储器以及相关分子电路体系结构研究。
采用电子束光刻以及X射线光刻技术分别制备64及256 bits纳米交叉阵列分子存储器电路，并设计制备探针卡，通过可编程控制自动探针台对64 bits纳米交叉阵列进行了初步测试。另外，提出基于双稳态分子开关以及纳米交叉阵列的多值存储器电路系统，原理上可实现十进制以及十六进制的存储与逻辑。此外，将3D集成电路制备技术应用于一种CMOS- nano混合集成电路结构(CMOL)，简化了其制备工艺，模拟研究表明，在功耗和延时相当的情况下，将集成度提高了一倍。