《Science》：北京大学在单分子电子器件领域的重大进展

将有机化学分子应用到电子器件是一个热门的研究方向，基于受控分子电导的电子器件能解决器件小型化的问题，并满足生物医学的兼容性要求。开关是大多数电子器件的核心元件，可靠的分子开关对于将化学分子应用到电子器件来说十分关键。过去一段时间有不少分子开关的研究被报道，但为数不多的几个基于分子开关的单分子器件只能实现单向非可逆的电导开关响应，而真正意义上双向可逆的单分子电导开关尚未见报道。

最近，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰（Xuefeng Guo）教授课题组和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（H. Q. Xu）教授课题组及其他合作者在《Science》报道将单个特殊设计的二芳烯分子组装到石墨烯点接触纳米间隙电极中，成功实现了世界上首个可逆的单分子电导开关器件构建。（Covalently bonded single-molecule junctions with stable and reversible photoswitched conductivity. Science, 2016, 352, 1443-1445, DOI: 10.1126/science.aaf6298）

石墨烯–二芳烯单分子器件的示意图。图片来源：Science

郭雪峰课题组围绕着单分子光电子开关构建这个难题，开展了长期的攻关研究。早在2007年就利用碳纳米管电极和两种二芳烯分子构建出了具有从开到关单向开关功能的单分子光开关器件（J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 12590）。在2013年利用课题组新开发的石墨烯基单分子器件平台（Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 12228; Acc. Chem. Res., 2015, 48, 2565），进一步利用三种改进的二芳烯分子构建单分子光开关器件，但也只实现了从开到关单向光开关功能（Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 8666）。理论分析发现前期这些体系中分子和电极间有着强的耦合，其导致的能量淬灭将功能分子锁在了关态。总结相关领域的研究进展，也发现有效调控分子和电极界面耦合将是在器件中实现分子功能的关键（Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 5642）。基于这些前期积累，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间进一步引入适当的亚甲基基团来调控界面耦合。

图片来源：Science

实验和理论研究一致表明全可逆的光诱导和电场诱导双模式开关功能在新设计的单分子电子器件中被成功实现，其精确性水平超高（开/关比接近100），可重复性优异（46个器件均可实现光开关100多次循环以及随机开关10万至100万次循环），可稳定工作超过一年。

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，证实了功能分子可以作为核心组件来完成电子器件构建，是将功能分子应用到实用电子器件的重要一步。在同一期《Science》杂志上，美国明尼苏达大学的C. Daniel Frisbie教授以“Designing a robust single-molecule switch”为题对本研究工作进行了深入解读（Science, 2016, 352, 1394-1395）。

郭雪峰教授课题组长期致力于单分子器件研究，曾应邀在美国化学会（ACS）《Accounts of Chemical Research》杂志上以当期封面文章发表了题为“Carbon Electrode−Molecule Junctions: A Reliable Platform for Molecular Electronics”的综述，概述了该课题组利用“石墨烯-分子”异质结平台在分子电子学领域取得的系列进展（Acc. Chem. Res., 2015, 48, 2565-2575）。

该课题组也对分子电子学整个领域发展情况进行总结，应邀在美国化学会（ACS）《Chemical Reviews》杂志上以当期封面文章发表题为 “Molecular-Scale Electronics: From Concept to Function” 的长篇综述论文（约123页），详述了分子器件从概念走向功能化的过程，并深入分析了整个分子电子学领域的挑战和发展方向（Chem. Rev., 2016, 116, 4318-4440）。

参考文献：

1. http://science.sciencemag.org/content/352/6292/1443

2. http://science.sciencemag.org/content/352/6292/1394

3. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.5b00133

4. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.5b00680

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