PNAS：中科大單分子器件基礎(chǔ)研究獲新進(jìn)展

將大大提高器件集成度，從而構(gòu)造更小更快能耗更少的電子設(shè)備

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室單分子物理化學(xué)研究團(tuán)隊，利用低溫超高真空掃描隧道顯微鏡，巧妙地對三聚氰胺這個比頭發(fā)絲的六萬分之一還細(xì)的小分子進(jìn)行了單分子手術(shù)，將其從普通化工原料轉(zhuǎn)變?yōu)榧扔卸�極管效應(yīng)又有機(jī)械開關(guān)效應(yīng)的雙功能單分子器件，為單分子器件的多功能化開辟了新的思路。這一成果發(fā)表在近期出版的美國《國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上。

　　隨著電子器件不斷小型化，科學(xué)家期望利用單個分子構(gòu)建電子元件。近年來，國內(nèi)外不少研究組在實(shí)驗(yàn)上成功地利用已有分子的固有性質(zhì)實(shí)現(xiàn)了單分子器件功能，但在構(gòu)建單分子器件中仍然面臨著兩個重要課題：一方面，考慮到尋找具有理想電子學(xué)功能的分子十分困難，通過分子手術(shù)的方法對已有分子進(jìn)行改造顯得十分必要;另一方面，對分子器件進(jìn)行功能集成是我們進(jìn)入分子電子學(xué)時代的一個關(guān)鍵，如果能夠在單個分子上實(shí)現(xiàn)多功能集成，將大大提高器件集成度，從而構(gòu)造更小、更快、能耗更少的電子設(shè)備。

　　該團(tuán)隊通過3年的實(shí)驗(yàn)和理論研究的緊密合作，發(fā)現(xiàn)三聚氰胺分子可以通過人工單分子操控被改造為具有顯著二極管效應(yīng)和開關(guān)效應(yīng)的雙重功能分子。在室溫下，三聚氰胺分子吸附到銅表面時會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)脫去兩個氫原子，從而與表面銅原子形成化學(xué)鍵，得到與表面垂直的吸附構(gòu)型，分子的輸運(yùn)曲線表現(xiàn)為正負(fù)電壓下對稱的特征。通過掃描隧道顯微鏡對其進(jìn)行單分子手術(shù)，將分子支鏈的一個氫原子“移植”到分子中間的環(huán)上，實(shí)現(xiàn)了三聚氰胺分子的異構(gòu)化，造成分子軌道相對于費(fèi)米面的不對稱性，使得輸運(yùn)特性顯示出明顯的二極管效應(yīng)。通過非彈性隧穿電子的多電子激發(fā)過程進(jìn)一步誘導(dǎo)其頂端N-H鍵的可逆轉(zhuǎn)動，得到電導(dǎo)不同的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單分子機(jī)械開關(guān)效應(yīng)。

　　美國《國家科學(xué)院院刊》審稿人認(rèn)為，該工作“結(jié)果可靠，創(chuàng)新性強(qiáng)，代表了這個領(lǐng)域的發(fā)展水平”。

　　據(jù)悉，這項(xiàng)成果是該研究團(tuán)隊利用分子手術(shù)實(shí)現(xiàn)對單分子磁性控制后，再次成功地通過分子手術(shù)技術(shù)取得的重要研究成果。該工作獲得了科技部重大科學(xué)研究計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院知識創(chuàng)新工程方向性項(xiàng)目的資助。