《Science》刊發(fā)郭雪峰課題組在單分子器件研究中取得的重要進展
時間：2021-04-06 16:31:07學院：化學與分子工程學院學校：北京大學
利用單個分子構(gòu)建電子器件有希望突破目前半導體器件微小化發(fā)展中的瓶頸，其中實現(xiàn)可控的單分子電子開關(guān)功能是驗證分子能否作為核心組件應用到電子器件中的關(guān)鍵步驟。在過去二十年，分子開關(guān)被廣泛的研究，但僅有的幾個單分子光開關(guān)器件研究工作都只能實現(xiàn)單向的開關(guān)功能，如何獲得真正意義上的分子電子開關(guān)存在著巨大的挑戰(zhàn)。最近，北京大學化學與分子工程學院郭雪峰課題組聯(lián)合美國賓夕法尼亞大學Abraham Nitzan教授課題組、北京大學信息科學技術(shù)學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現(xiàn)了可逆單分子光電子開關(guān)器件的構(gòu)建。
這一研究成果于2016年6月17日以“Covalently bonded single-molecule junctions with stable and reversible photoswitched conductivity”為題在線發(fā)表在國際頂級學術(shù)期刊《科學》（Science 2016, 352, 1443）上，并申請了發(fā)明專利。
二芳烯-石墨烯單分子光電子開關(guān)器件
郭雪峰課題組圍繞著單分子光電子器件研究這個難題，開展了長達8年的潛心鉆研和持續(xù)攻關(guān)。早在2007年就利用碳納米管電極和兩種二芳烯分子構(gòu)建出了具有從關(guān)態(tài)到開態(tài)單向開關(guān)功能的單分子光開關(guān)器件（J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 12590, 得到了Science和Nat. Nanotechnol.的亮點報道）。為進一步完善單分子器件的制備方法學，2012年課題組發(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（Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 12228; Acc. Chem. Res. 2015, 48, 2565）。在該普適性石墨烯基單分子器件研究平臺的基礎(chǔ)上，進一步設計合成了三種結(jié)構(gòu)改進的二芳烯分子，并構(gòu)建了單分子光開關(guān)器件，但仍然也只實現(xiàn)了從關(guān)態(tài)到開態(tài)單向光開關(guān)功能（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 8666，得到了Nature的亮點報道）。理論分析揭示，在這些前期的體系中分子和電極之間存在著強的耦合，從而導致分子激發(fā)態(tài)的淬滅將功能分子鎖在了閉環(huán)構(gòu)象。分子和電極之間的接觸界面一直是分子電子學領(lǐng)域研究的核心基本科學問題，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現(xiàn)分子本征功能的關(guān)鍵（Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 5642; Chem. Rev. 2016, 116, 4318）。基于這些前期積累，通過理論模擬預測和分子工程設計在二芳烯功能中心和石墨烯電極之間進一步引入關(guān)鍵性的亞甲基基團，所得實驗和理論研究結(jié)果一致表明新體系成功地實現(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和電場誘導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/電極間共價鍵鏈接方式使這些單分子開關(guān)器件具有空前的開關(guān)精度、穩(wěn)定性和可重現(xiàn)性，在未來高度集成的信息處理器、分子計算機和精準分子診斷技術(shù)等方面具有巨大的應用前景。
這項研究工作使得在中國誕生了世界首例真實穩(wěn)定可控的單分子電子開關(guān)器件。《科學》雜志的審稿人盛贊該工作，說“數(shù)據(jù)留下極其深刻的印象（The data are extremely impressive）”，“在以前的任何文章中還從來沒有看到過具有如此強大開關(guān)功能的分子器件（I am not aware of any paper that shows such robust switching behavior in a molecular junction）”。《Science》同期內(nèi)的Perspective Article以“Designing a robust single-molecule switch: A single-molecule switch works at room temperature”為題對此工作發(fā)表了長篇評述（Science 2016, 352, 1394）。該評述指出：“賈等的研究所示范的科學展示了在納米尺度上對物質(zhì)的精致控制，是一個憑借自身的力量可敬的智力追求，具有廣泛的長期效應（The science as exemplified by Jia et al.’s study represents exquisite control over matter at nanometer length scales and is a worthy intellectual pursuit in its own right with broad, long-term benefits.）”。這些研究證明功能分子的確可以作為核心組件來構(gòu)建電子回路，這是將功能分子應用到實用的電子器件邁出的重要一步。早在2013年《自然·納米科技》發(fā)表評論指出（Nat. Nanotechnol. 2013年6月分子電子學專刊）：碳基器件結(jié)構(gòu)提供了更堅實的分子器件研究平臺（Carbon-based architectures could provide a more robust platform for molecular–electronic concepts），開拓了分子電子學研究領(lǐng)域的新方向，使得以前不能開展的工作成為可能，孕育著新的突破。
郭雪峰課題組博士后賈傳成、Abraham Nitzan課題組博士后Agostino Migliore、郭雪峰課題組2013級博士研究生辛娜和徐洪起課題組黃少云副教授為該論文共同第一作者。北京大學化學與分子工程學院郭雪峰、美國賓夕法尼亞大學Abraham Nitzan和北京大學信息科學技術(shù)學院徐洪起為論文的共同通訊作者。該項研究得到了國家自然科學基金委、科技部和教育部基金的資助。
Science原文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/352/6292/1443
Science評述鏈接：http://science.sciencemag.org/content/352/6292/1394
郭雪峰課題組在單分子器件及檢測方面的系統(tǒng)工作鏈接: /guoxf/index.html；/news.php?id=5608
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