北京大学郭雪峰教授团队：利用单分子功能芯片揭示分子光电子学和分子电子学的全部潜力

近期，北京大学郭雪峰教授团队的AMR述评文章“Single-Molecule Functional Chips: Unveiling the Full Potential of Molecular Electronics and Optoelectronics”在线发表。文章系统性地回顾了如何通过分子工程、界面工程、器件工程等策略构建稳定的单分子光电器件，并实现实时通讯、逻辑运算等功能。

关键词：分子电子器件、光电子芯片、光电一体化检测、分子工程、器件工程

01 文章内容简介

单分子电子学和光电子学是将光活性或电活性单分子用作功能芯片的核心元件，以实现物理尺寸的微型化、工作频率的提高和多功能的集成。探索材料在单分子水平上的电子和光电子特性，可以完全阐明分子结构与功能之间的关系，进而推动技术进步，帮助应对摩尔定律提出的挑战。在这篇述评中，我们展示了在单分子电子学和光电子学领域的持续研究，特别强调使用石墨烯-分子-石墨烯单分子结作为主要框架的研究。

到目前为止，我们已经建立了各种单分子多功能器件，包括光开关、场效应晶体管、整流器、发光二极管、自旋电子器件、忆阻器和分子导线。这些器件具有稳定的石墨烯电极和稳固的共价分子-电极界面。我们提出了分子/界面工程策略和器件工程策略，包括使用特定连接器、间隔物、绝缘层和功能中心的界面设计，以及器件结构和电极材料的设计。这些策略充分考虑了功能中心与外部环境之间的耦合，从而能够评估和操控目标分子的内在行为。特别是，共价分子-电极界面在高偏压下能够实现高器件稳定性。通过在电极-分子界面插入三个非共轭亚甲基基团，可以防止石墨烯电极对中心分子（如二芳烯）激发态的猝灭，从而实现稳固且可逆的光开关。引入环糊精作为分子桥周围的绝缘组分，可以削弱桥与环境的耦合，从而提高发光二极管的量子产率。我们还发现，高介电常数材料作为介电层使得通过栅极电压进行单分子电子和光电子器件的电学操控变得高效。使用铁磁金属电极可以满足自旋注入的需求，特别是通过蚀刻修整的二维结构石墨烯电极实现分子高密度集成，为未来的逻辑操作和实时通信铺平了道路。

这些系统研究强调了单分子电子学和光电子学在微型化器件制造、内在机制探索和先进芯片应用中的重要性。进一步的跨学科合作，包括微纳加工、有机合成和理论计算等，将有助于单分子电子学和光电子学的快速发展，使其适合实际应用。

02 AMR：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

摩尔定律指出，集成电路上可容纳的晶体管数量每隔约两年便会翻一番，导致计算能力以指数速度增长。然而，随着传统硅基技术逐渐接近其物理极限，摩尔定律面临前所未有的挑战。随着传统硅基技术接近物理极限，单分子电子学提供了一种可行的替代方案。通过开发稳定、高效的单分子电子器件，可以在保持摩尔定律发展的同时，实现更高的集成度和功能多样性。尤其是在实现工业生产和实际应用方面，分子电子学将成为关键技术之一。而相比于传统的电子芯片，光电芯片具有更高的传输速度和带宽。其中光信号可以以光速传输，使其在高速通信和数据传输领域具有巨大的优势，是拓展摩尔定律的有效策略。以单个分子作为光电功能中心有望满足人们对器件微小化日益增长的需求，是未来分子光电子器件的基石。

03 AMR：您对该领域的发展有何种愿景？

作者团队：

光或电活性单分子确实可以作为超微型分子纳米电路的主要组成部分。与宏观器件相比，这些单分子器件具有特殊优势。首先，在单分子器件的纳米级导电通道中，伴随的巨大电场可以有效调节分子重构、异构化和构象变化的势垒，这本质上形成了构建单分子忆阻效应和逻辑门的途径。此外，由于分子光物理学与包括振动和旋转在内的分子运动密切相关，将单分子发光与电场控制的分子运动集成在一起，将阐明内在的发光机制并提供可调谐的光源。其次，在分子尺度上发现的显著量子效应（如量子干涉和纠缠）为实现前所未有的光电功能提供了有希望的机会。第三，单分子器件的简洁结构（例如没有耗尽层和低电容）导致超快速响应能力，为超快速光电操作奠定了基础。最后，将多场操控（光、电、磁和声子）应用于单分子光电子器件可以增加其逻辑计算能力，从而超越传统的硅基器件。例如，一个目标是通过磁场在室温下实现单分子自由基器件中量子自旋的调节，这有助于逻辑操作和信息存储。

04 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

首先，开发能够以原子精度生产稳定、均一和高产率单分子功能器件的通用方法至关重要，这强调了分子-电极界面的精确调节。其次，只有通过集成功能芯片才能实现单分子器件的工业生产和应用。因此，促进单分子器件的集成，包括合理设计集成电路图案和高效的单分子结集成协议极为重要。基于分子间相互作用，将超分子连接到纳米电路中可能是其中一种有前途的策略。

作者团队简介

郭雪峰，北京大学博雅特聘教授。长期从事单分子科学与技术的研究, 突破性发展了制备稳定单分子器件的普适性方法, 构建了国际首例稳定可控的单分子电子开关, 发展了单分子电学谱的普适性谱学方法，开拓了单分子交叉科学研究的新领域。目前已在Science、Nat. Nanotechnol.、Nat. Chem.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Rev. Phys.、Chem. Rev.、Acc. Chem. Res.、Chem. Soc. Rev.等世界顶尖期刊上发表了许多高质量的研究成果。未来一段时间内将进一步聚焦单分子科学与技术，期望为揭示物质转换的内在机理和生命现象的本征规律提供划时代的研究手段和谱学方法，使解决化学、生命和物理等科学的交叉领域关键性基础问题成为可能，发展颠覆性的单分子芯片集成技术和新一代精准分子诊断/测序技术，进而推动形成单分子交叉科学新的增长点和科技突破口。

杨晨，北京大学化学与分子工程学院博雅博士后。于2022年在北京大学化学与分子工程学院获得博士学位，师从郭雪峰教授。毕业后在郭雪峰教授课题组担任博士后研究员，研究兴趣包括单分子物理和化学。

张恒，北京大学化学与分子工程学院博士生。于2023年从大连理工大学获得学士学位，目前是北京大学化学与分子工程学院的博士生，师从郭雪峰教授。研究兴趣集中在单分子光物理学。

李珺浩，北京大学化学与分子工程学院博士生。于2022年从北京大学化学与分子工程学院获得学士学位，目前是北京大学化学与分子工程学院的博士生，师从郭雪峰教授。研究兴趣集中在新一代单分子芯片的开发。

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Single-Molecule Functional Chips: Unveiling the Full Potential of Molecular Electronics and Optoelectronics

Heng Zhang, Junhao Li, Chen Yang*, and Xuefeng Guo*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00125

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