首例单分子电子开关器件诞生

方德声

据国家自然科学基金委报道：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尼赞（A.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协力攻关，利用二芳烯分子为功能中心、石墨烯为电极成功实现了可逆单分子光电子开关器件的构建，诞生了世界首例真实稳定可控的单分子电子开关器件。研究成果于2016年6月17日在线发表于Science，2016，352（6292）：1443-1445。

在过去二十年里，分子开关被广泛研究，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存在着巨大的挑战。因此，利用单个分子构建电子器件有望突破目前半导体器件微小化发展中的瓶颈，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。

郭雪峰课题组围绕着单分子光电子器件研究难题，进行了持续攻关。2007年利用碳纳米管电极和两种二芳烯分子构建出具有从关态到开态单向开关功能的单分子光开关器件。2012年又发展了利用石墨烯为电极的第二代碳基单分子器件的突破性制备方法。在该普适性石墨烯基单分子器件研究平台的基础上，进一步设计合成了三种结构改进的二芳烯分子，并构建出单分子光开关器件，但也只实现了从关态到开态单向光开关功能。

理论分析揭示，这些前期体系中存在着分子和电极之间强的耦合，从而导致分子激发态的淬灭将功能分子锁在了闭环构象。由于分子和电极之间的接触界面一直是分子电子学领域研究的核心问题，因此，如何有效调控分子和电极之间的界面耦合是在器件中实现分子本征功能的关键。基于这些前期积累，并通过理论模拟预测和分子工程设计在二芳烯功能中心和石墨烯电极之间进一步引人关键性的亚甲基基团，所得实验和理论研究结果一致表明新体系成功实现了分子和电极间优化的界面耦合作用，突破性地构建了一类全可逆的光诱导和电场诱导的双模式单分子光电子器件。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，在未来高度集成的信息处理器、分子计算机和精准分子诊断技术等方面具有巨大的应用前景。