首例單分子電子開(kāi)關(guān)器件誕生

方德聲

據(jù)國(guó)家自然科學(xué)基金委報(bào)道：北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院郭雪峰課題組聯(lián)合美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)尼贊（A.Nitzan）教授課題組、北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院徐洪起教授課題組及其他合作者協(xié)力攻關(guān)，利用二芳烯分子為功能中心、石墨烯為電極成功實(shí)現(xiàn)了可逆單分子光電子開(kāi)關(guān)器件的構(gòu)建，誕生了世界首例真實(shí)穩(wěn)定可控的單分子電子開(kāi)關(guān)器件。研究成果于2016年6月17日在線發(fā)表于Science，2016，352（6292）：1443-1445。

在過(guò)去二十年里，分子開(kāi)關(guān)被廣泛研究，但僅有的幾個(gè)單分子光開(kāi)關(guān)器件研究工作都只能實(shí)現(xiàn)單向的開(kāi)關(guān)功能，如何獲得真正意義上的分子電子開(kāi)關(guān)存在著巨大的挑戰(zhàn)。因此，利用單個(gè)分子構(gòu)建電子器件有望突破目前半導(dǎo)體器件微小化發(fā)展中的瓶頸，其中實(shí)現(xiàn)可控的單分子電子開(kāi)關(guān)功能是驗(yàn)證分子能否作為核心組件應(yīng)用到電子器件中的關(guān)鍵步驟。

郭雪峰課題組圍繞著單分子光電子器件研究難題，進(jìn)行了持續(xù)攻關(guān)。2007年利用碳納米管電極和兩種二芳烯分子構(gòu)建出具有從關(guān)態(tài)到開(kāi)態(tài)單向開(kāi)關(guān)功能的單分子光開(kāi)關(guān)器件。2012年又發(fā)展了利用石墨烯為電極的第二代碳基單分子器件的突破性制備方法。在該普適性石墨烯基單分子器件研究平臺(tái)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)合成了三種結(jié)構(gòu)改進(jìn)的二芳烯分子，并構(gòu)建出單分子光開(kāi)關(guān)器件，但也只實(shí)現(xiàn)了從關(guān)態(tài)到開(kāi)態(tài)單向光開(kāi)關(guān)功能。

理論分析揭示，這些前期體系中存在著分子和電極之間強(qiáng)的耦合，從而導(dǎo)致分子激發(fā)態(tài)的淬滅將功能分子鎖在了閉環(huán)構(gòu)象。由于分子和電極之間的接觸界面一直是分子電子學(xué)領(lǐng)域研究的核心問(wèn)題，因此，如何有效調(diào)控分子和電極之間的界面耦合是在器件中實(shí)現(xiàn)分子本征功能的關(guān)鍵。基于這些前期積累，并通過(guò)理論模擬預(yù)測(cè)和分子工程設(shè)計(jì)在二芳烯功能中心和石墨烯電極之間進(jìn)一步引人關(guān)鍵性的亞甲基基團(tuán)，所得實(shí)驗(yàn)和理論研究結(jié)果一致表明新體系成功實(shí)現(xiàn)了分子和電極間優(yōu)化的界面耦合作用，突破性地構(gòu)建了一類全可逆的光誘導(dǎo)和電場(chǎng)誘導(dǎo)的雙模式單分子光電子器件。石墨烯電極和二芳烯分子穩(wěn)定的碳骨架以及牢固的分子/電極間共價(jià)鍵鏈接方式使這些單分子開(kāi)關(guān)器件具有空前的開(kāi)關(guān)精度、穩(wěn)定性和可重現(xiàn)性，在未來(lái)高度集成的信息處理器、分子計(jì)算機(jī)和精準(zhǔn)分子診斷技術(shù)等方面具有巨大的應(yīng)用前景。