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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室單分子物理化學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，利用低溫超高真空掃描隧道顯微鏡，巧妙地對(duì)三聚氰胺這個(gè)比頭發(fā)絲的六萬(wàn)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(guó)《國(guó)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(gè)分子構(gòu)建電子元件。近年來(lái)，國(guó)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(gè)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(guò)分子手術(shù)的方法對(duì)已有分子進(jìn)行改造顯得十分必要;另一方面，對(duì)分子器件進(jìn)行功能集成是我們進(jìn)入分子電子學(xué)時(shí)代的一個(gè)關(guān)鍵，如果能夠在單個(gè)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(duì)通過(guò)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(guò)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(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)脫去兩個(gè)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(duì)稱的特征。通過(guò)掃描隧道顯微鏡對(duì)其進(jìn)行單分子手術(shù)，將分子支鏈的一個(gè)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(duì)于費(fèi)米面的不對(duì)稱性，使得輸運(yùn)特性顯示出明顯的二極管效應(yīng)。通過(guò)非彈性隧穿電子的多電子激發(fā)過(guò)程進(jìn)一步誘導(dǎo)其頂端N-H鍵的可逆轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guó)《國(guó)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(gè)領(lǐng)域的發(fā)展水平”。

　　據(jù)悉，這項(xiàng)成果是該研究團(tuán)隊(duì)利用分子手術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)單分子磁性控制后，再次成功地通過(guò)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(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院知識(shí)創(chuàng)新工程方向性項(xiàng)目的資助。