Science：国际首例全可逆单分子器件！

利用单个分子构建电子器件有希望突破目前半导体器件微小化发展遇到的瓶颈，其中实现可控的单分子电子开关功能是验证分子能否作为核心组件应用到电子器件中的关键步骤。在过去二十年，分子开关被广泛的研究，但仅有的几个单分子光开关器件研究工作都只能实现单向的开关功能，如何获得真正意义上的分子电子开关仍然存在着巨大的挑战。

有鉴于此，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组联合美国宾夕法尼亚大学Abraham Nitzan教授课题组、北京大学信息科学技术学院徐洪起教授课题组及其他合作者最近在Science发表文章，利用二芳烯分子为功能中心、石墨烯为电极，成功构建了国际上首例全可逆的光诱导和电场诱导的双模式单分子光电子器件。

图1. 石墨烯–二芳烯单分子器件的示意图

在前期建立起来的碳基单分子器件平台基础上，如图1所示，郭雪峰课题组把二芳烯功能分子通过酰胺共价键连接到具有纳米间隙的石墨烯电极中，构建了单分子电子器件。二芳烯功能分子能在不同波长的光照刺激下发生可逆构象变化，想要确保单个二芳烯分子在固态器件中表现出其本征的开关功能，关键在于克服分子和电极间的界面强强耦合。为此，通过理论模拟预测和分子工程设计，研究人员在二芳烯功能中心和石墨烯电极之间引入了关键性的亚甲基基团，从而成功实现了可逆单分子光电子开关器件的构建。

在紫外光和可见光的交替照射下，由于二芳烯功能分子发生开环和关环结构的可逆变化（图1），单分子器件表现出相应的在高、低两种导电态之间的可控转变（图2）。系统低温测试结果证明，具有关环结构的二芳烯功能分子表现出奇特的电场诱导的随机开关效应，而且这种随机电开关效应具有明显的温度依赖性（图3）。石墨烯电极和二芳烯分子稳定的碳骨架以及牢固的分子/电极间共价键链接方式使这些单分子开关器件具有空前的开关精度、稳定性和可重现性。

图2 石墨烯–二芳烯单分子器件的可逆光开关效应

图3 石墨烯–二芳烯单分子器件的温度依赖随机开关效应

在Science杂志同期文章中，美国明尼苏达大学的C. Daniel Frisbie教授对这项工作进行了深入解读（图4），并阐述了其重要性。这一研究工作为国际上首次成功制备出可控的单分子电子开关，表明功能分子可以作为核心组件来构建电子器件，这是将功能分子应用到实用的电子器件迈出的重要一步。

图4. 单分子开关设计要点

 

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1. Chuancheng Jia, Agostino Migliore, Na Xin, Shaoyun Huang, H. Q. Xu, Abraham Nitzan, Xuefeng Guo et al. Covalently-bonded single molecule junctions with stable and reversible photoswitched conductivity, Science, 2016, 352, 1443-1445.

2. C. Daniel Frisbie. Designing a robust single-molecule switch. Science, 2016, 352, 1394-1395.