背景介绍

单分子器件不仅满足了器件微型化和功能化的技术需求，还为从分子尺度上探索机制提供了重要工具。离子液体是一种由阳离子和阴离子组成的盐类物质，它们在室温下呈液态。离子液体具有出色的离子传输能力、宽的电化学窗口、可调性以及低挥发性，这使其在单分子器件中调控电荷传输、氧化还原反应以及单分子结行为具有独特优势。目前，离子液体已用作单分子器件的电解质、介电层和结构组分被广泛研究。基于离子液体的单分子器件也成为纳米科学、材料化学和电子学交叉领域的前沿研究领域，对相关机制和应用的深入理解不仅促进了分子电子学的发展，还为新型高性能纳米器件的开发提供了重要支持。在此，我们围绕基于离子液体的单分子器件，尝试总结离子液体的调控机制，进一步强调基于离子液体的单分子器件的最新应用进展。

图文解读

该综述介绍了离子液体的基本特性和单分子结的常用构建方法，论述了离子液体在单分子结中的调控机制，概述了基于离子液体的单分子器件的应用，最后提出了未来的研究方向，鼓励从分子甚至原子的角度探索物理、化学领域的科学问题。

图1. 基于离子液体的单分子器件。

基于离子液体的单分子器件的构建

图2. 传统电解质和离子液体的双电层模型。

离子液体优异的性质使其在构建高性能单分子功能器件中具有重要作用。目前，单分子器件的构建方法主要分为静态和动态两类。静态方法通过电压或虚线刻蚀技术来创建具有固定间隙的纳米电极，而动态方法则允许电极之间的距离动态变化，包括扫描隧道显微镜断裂结技术和机械可控断裂结技术等。在选择离子液体时，需要充分了解其物理性质以及在单分子器件中的作用机制，如双电层结构、电化学窗口和热分解温度等特性。离子液体的电双层结构与电极电位密切相关。当电极表面电位较低时，离子液体主要在电极表面附近形成电双层结构，而在较高电位下，离子液体中的离子需要在界面积累以屏蔽高表面电荷（图2）。目前，常用的离子液体类型包括季铵盐和咪唑基离子液体。基于离子液体的单分子器件可以包括双电极、三电极和四电极体系。

基于离子液体的单分子器件的调控机制

图3. 离子液体栅单分子器件的栅极调控机制。

理解离子液体在单分子器件中的调控机制，对于揭示器件的基本原理和推进创新功能器件的构建具有重要意义。在基于离子液体的单分子器件中，离子液体的调控机制可以分为三种，分别是栅极调控、电化学调控和界面调控。离子液体栅的调控机制与传统固态栅调控机制相同，当施加栅极电压时，离子液体形成双电层结构，并产生栅极电场。该栅极电场作用于单分子结，改变分子轨道与电极费米能级的相对位置，从而调控器件的电荷传输特性（图3）。其次，离子液体可以作为电化学栅极，调控分子氧化还原反应的发生，从而改变分子结电导。最后，离子液体还可以通过离子吸附调控分子-电极界面结构，从而改变分子结电荷传输特性。

基于离子液体的单分子器件的应用

图4. 基于量子干涉效应的改进开关比率。

基于离子液体的单分子器件的应用主要包括两个方面。一是高性能功能性器件的构建，例如基于离子液体栅的单分子场效应晶体管（图4）。该过程通常将离子液体单分子器件与其他策略结合从而获得更高开关比的器件，比如选择具有相消量子干涉效应的分子以获得更低的关态电流、使用高共轭性的分子以获得更高的开态电流。二是化学反应机制的探索，包括Mizoroki-Heck催化反应、自由基电化学反应和电子转移反应。

总结与展望

本文介绍了离子液体单分子器件最新研究进展，阐述了离子液体在分子结中的调控机制，总结了涉及离子液体的单分子器件的多种应用。虽然离子液体单分子器件的研究已经取得了显著的成就，但仍需要扩展现有的研究体系以解决两个领域或者其他领域的科学问题。比如以单分子器件为工具探索离子液体的催化作用，以单分子为探针探测离子液体的结构和相互作用等等。通过这些研究可以帮助我们从原子尺度理解材料和器件，推动纳米技术、能源、生物技术等领域的技术突破。

原文信息

该综述以“Application of ionic liquids in single-molecule junctions: Recent advances and prospects”为题在Green Energy & Environment期刊在线发表（DOI：10.1016/j.gee.2024.01.003），文章的共同第一作者为南开大学电子信息与光学工程学院周丽博士和张苗博士，通讯作者为南开大学电子信息与光学工程学院王进莹博士、贾传成教授和北京大学与南开大学双聘教授郭雪峰教授。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2024.01.003

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部