2019提名国家自然科学奖项目-高灵敏功能分子电子器件的设计、构筑及性能研究

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提名国家自然科学奖项目公示
项目名称        高灵敏功能分子电子器件的设计、构筑及性能研究
提名专家/提名单位        教育部

提名单位意见：
我单位认真审阅了该项目推荐书及附件材料，确认全部材料真实有效，相关栏目均符合国家科学技术奖励工作办公室的填写要求。该项目在高灵敏功能分子电子器件的设计和性质研究方面开展了创新性研究，研究成果的创新性和系统性得到学术界的广泛认可：1)首次采用sp2碳纳米材料作为电极，在宏观尺度上解决了电极与分子材料间因物理接触引起的肖特基势垒的难题，构建了若干高灵敏微小化的有机场效应晶体管器件和光检测器；2）原创性地发展了新的石墨烯切割方法—虚线刻蚀法，制备了具有分子尺寸的锯齿型石墨烯点电极对阵列，通过酰胺共价键使得分子异质结的制备成功率可达50%，解决了单分子器件稳定性差、制备极其困难的问题，发展了单分子电学检测的新方向；3）揭示了有机场效应晶体管中的接触界面效应，构建了一系列高性能、多功能复合光电子器件。研究成果有力促进了化学与材料、生命等领域的前沿交叉研究。
八篇代表性论文发表在Acc. Chem. Res. (2), PNAS (1), Angew. Chem. Int. Ed. (2), Adv. Mater. (1), Nano Lett. (1)和Adv. Funct. Mater. (1)上，SCI他引564次，该团队是世界上能开展单分子本征输运物性研究为数不多的几个代表性课题组之一。应邀撰写译著1本和论文集1本。研究成果受到包括诺贝尔奖获得者在内的国内外科学家的正面引用和积极评价。该项目获得2017年度教育部自然科学奖一等奖。
我决定推荐该项目为国家自然科学奖二等奖。

项目简介：
利用单个或少数几个分子来构建功能光电子器件不仅有可能满足器件的微小化乃至高度集成的需求，也可以为研究材料在分子水平上的本征物理化学现象和规律提供关键技术，是未来分子光电子器件研发的科学基础。然而，实现稳定的“电极-分子-电极”异质结的高效精准制备极具挑战性，但同时具有至关重要的科学意义和应用前景。
针对分子电子器件中存在的接触界面基本科学问题，研究团队历经长期努力，解决了电极与半导体间的接触界面基本问题，发展建立了制备稳定单分子电子器件的突破性方法，并在此基础上发展了单分子电学实时检测新技术，开拓了单分子科学研究的新领域，构建了一系列新型单分子生物传感器、高性能功能化场效应晶体管以及光检测器。具体的主要科学发现包括：
1．发展了碳基纳米电极的普适性制备方法，在宏观尺度上解决了电极与分子材料间因物理接触引起的肖特基势垒的难题：首次采用sp2碳纳米材料作为电极，通过π-π stacking相互作用可以形成良好的分子/电极接触界面，大大降低了电极与有机半导体材料之间的肖特基势垒，揭示了光增益与电极间距、工作电压之间的内在关系，构建了若干高灵敏微小化的有机场效应晶体管器件和光检测器。
2．建立了制备稳定碳基单分子器件的突破性方法，发展了单分子电学检测的新方向：原创性地发展了新的石墨烯切割方法—虚线刻蚀法，制备了具有分子尺寸的锯齿型石墨烯点电极对阵列，通过酰胺共价键使得分子异质结的制备成功率可达约50%，解决了单分子器件稳定性差、制备极其困难的问题；利用分子工程学的策略，实现了从关态到开态单向光开关功能；结合微流控技术发展了单分子电学检测关键性技术，首次确定了金属配位DNA分子的导电性，实现对铜离子和生物小分子的直接检测，具有高度的检测专一性、可逆性和单分子灵敏度。
3．揭示了有机场效应晶体管中的接触界面效应，构建了一系列高性能、多功能复合光电子器件：利用光致变色啰吡喃分子，巧妙结合有机场效应晶体管的各种异质界面，原创性地实现了器件的可逆光开关和稳定记忆效应，首次实现水环境测试条件下对三聚氰胺的高灵敏检测，首次在同一器件上实现了具有镜像对称关系的光开关效应。
八篇代表性论文发表在Acc. Chem. Res. (2), PNAS (1), Angew. Chem. Int. Ed. (2), Adv. Mater. (1), Nano Lett. (1)和Adv. Funct. Mater. (1)上，SCI他引564次。应邀撰写译著1本和论文集1本。研究成果受到包括诺贝尔奖获得者在内的国内外科学家的正面引用和积极评价，多次被Nature、Science、Nature Chemistry、NPG Asia Materials、Chemistry World和MaterialsViews等杂志和媒体亮点报道，一篇入选“中国百篇最具影响的国际学术论文”。单分子电子学是一个公认的极具挑战性的前沿研究领域，该团队发展了单分子电子学研究的独门绝技，是世界上能开展单分子本征输运物性研究为数不多的几个代表性课题组之一。作为首席科学家或负责人分别承担了科技部重大研究计划和基金委仪器（自由申请类）、重点、国家杰出青年基金等项目。

客观评价：
项目研究成果的原创性和系统性得到国内外同行的广泛认同：1)论文得到著名学者的评述和重点介绍，包括T. M. Swager (美国科学院院士）、J. Fraser Stoddart (美国科学院院士)、Klaus Müllen (德国科学院院士)、Charles M. Lieber (美国科学院院士)、Chad A. Mirkin(美国科学院院士)、Mark A. Reed (单分子器件研究的开拓者)、Che Chi-Ming院士和朱道本院士；引文发表在Science, Nat. Nanotechnol., Chem. Rev., Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev., J. Am.Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际重要学术刊物上；2)成果多次被Nature、Science、Nature Chemistry、NPG Asia Materials、Chemistry World和MaterialsViews等著名学术网站和杂志作为研究亮点报道；3)一篇入选“中国百篇最具影响的国际学术论文”。发表论文的主要第三方评价如下：
1．对发现点一的客观评价
优化电极与半导体之间的物理接触是提高材料场效应性能的关键，然而金属电极的功函与分子的能级不匹配。针对这一挑战性问题，研究团队采用sp2碳纳米材料（碳纳米管和石墨烯）作为电极，构建了高灵敏微小化的有机场效应晶体管器件和光检测器。这是一种普适性的方法，被20多个国家60多位专家学者广泛使用和引用。其中，一篇代表性论文入选当年“中国百篇最具影响的国际学术论文”。
2．对发现点二的客观评价
缺乏制备稳定单分子器件的可靠方法仍是制约分子电子学发展的瓶颈，如何调控分子与电极间相互作用是核心挑战，实现分子与电极间的共价键链接就是关键。针对分子度上电极与分子之间存在的非欧姆接触问题，研究团队发展了制备稳定碳基单分子器件的突破性方法，解决了单分子器件稳定性差、制备极其困难的问题。这些方法已成为单分子电子学研究的可靠平台，是该研究团队的独门绝技，得到国内外同行的广泛好评。国际分子电子学权威专家美国耶鲁大学Mark A. Reed教授和中科院化学所朱道本院士在他们的综述中大篇幅论述该团队的工作。
2．对发现点三的客观评价
界面就是“器件”，界面工程成为了一种提高器件性能和构建新功能的有力手段。该研究团队利用光致变色分子和光敏性的纳米粒子，揭示了界面诱导的新奇物性。这些研究为构建新型功能器件提供了新的思路，引起了世界上其它著名研究组的相继学习和效仿，特别是法国斯特拉斯堡大学Paolo Samorì教授（国际著名超分子化学家）采用该团队的研究思路开展了多项工作。

代表性论文专著目录：
1.        Chuancheng Jia, Bangjun Ma, Na Xin, and Xuefeng Guo*, Carbon Electrode-Molecule Junctions: A Reliable Platform for Molecular Electronics, Acc. Chem. Res. 2015, 48, 2565.
2.        Chuancheng Jia, Jinying Wang, Chang-Jiang Yao, Yang Cao, Yu-Wu Zhong, Zhirong Liu, Zhongfan Liu* and Xuefeng Guo*, Conductance Switching and Mechanisms in Single-Molecule Junctions, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 8666.
3.        Dayong Zhang, Lin Gan, Yang Cao, Qing Wang, Limin Qi*, Xuefeng Guo*, Understanding Charge Transfer at PbS-Decorated Graphene Surfaces toward a Tunable Photosensor, Adv. Mater. 2012, 24, 2715.
4.        Hongtao Zhang, Xuefeng Guo*, Jingshu Hui, Shuxin Hu, Wei Xu, and Daoben Zhu*, Interface Engineering of Semiconductor/Dielectric Heterojunctions toward Functional Organic Field-Effect Transistors, Nano Lett. 2011, 11, 4939.
5.        Song Liu, Guido H. Clever, Yusuke Takezawa, Motoo Kaneko, Kentaro Tanaka, Xuefeng Guo*, and Mitsuhiko Shionoya*, Direct Conductance Measurement of Individual Metallo-DNA Duplexes within Single-Molecule Break Junctions, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 8886.
6.        Xuefeng Guo*, Shengxiong Xiao, Matthew Myers, Qian Miao, Michael L. Steigerwald, and Colin Nuckolls*, Photoresponsive Nanoscale Columnar Transistors, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 691.
7.        Yang Cao, Song Liu, Qian Shen, Kai Yan, Pingjian Li, Jun Xu, Dapeng Yu,Michael L. Steigerwald, Colin Nuckolls, Zhongfan Liu*, and Xuefeng Guo*, High-Performance Photoresponsive Organic Nanotransistors with Single-Layer Graphenes as Two-Dimensional Electrodes, Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2743.
8.        Alina Feldmen, Michael L. Steigerwald, Xuefeng Guo*, and Colin Nuckolls*, Molecular Electronic Devices Based on Single-Walled Carbon Nanotube Electrodes, Acc. Chem. Res. 2008, 41, 1731.

主要完成人情况：
1. 郭雪峰，排名1，教授，工作单位：北京大学，完成单位：北京大学，是该项目的负责人。负责项目研究内容的整体设计，提出了功能分子电子器件的设计策略，直接指导项目组开展新型单分子器件、功能有机/纳米场效应晶体管以及光检测器的研究工作，对主要发现点1-3均作出了重要贡献，是代表性论文和主要论文的通讯作者。
2. 贾传成，排名2，UCLA博士后，工作单位：北京大学，完成单位：北京大学，是项目的骨干力量。开展了基于石墨烯电极的分子电子开关器件的研究，成功克服了分子与电极间的相互作用的调控。对发现点2做出实质贡献。
3. 曹阳，排名3，教授，工作单位：厦门大学，完成单位：北京大学，是项目的骨干力量。最早在项目里开展了基于石墨烯电极的分子器件的研究，成功发展了石墨烯单分子器件的制备方法，构建了石墨烯基的有机场效应晶体管器件。对发现点1和2做出实质贡献。
4. 刘松，排名4，教授，工作单位：湖南大学，完成单位：北京大学，是项目的骨干力量。开展了基于碳纳米管电极的单分子生物传感器的研究，构建了基于碳纳米管电极的微小化有机/纳米场效应晶体管，对主要发现点2均作出了实质贡献。
完成人合作关系说明：
序号        合作方式        合作者
（本项目排名）        合作时间        合作项目        合作文章
1        论文合著        贾传成，排名2        2009年9月至2015年6月        基金委重点项目（20833001） ； 科技部973项目（2012CB921404） ；国家杰出青年基金项目（21225311）         代表性文章1和2
2        论文合著        曹阳，排名3        2008年1月至2012年7月        基金委重点项目（20833001） ； 科技部973项目（2012CB921404） ；国家杰出青年基金项目（21225311）        代表性文章2、3和7
3        论文合著        刘松，排名4        2008年1月至2011年7月        基金委重点项目（20833001） ； 科技部973项目（2012CB921404） ；国家杰出青年基金项目（21225311）        代表性文章5和7

本项目的合作者贾传成、曹阳和刘松均是项目第一完成人郭雪峰的博士生。本项目所涉及的研究成果都是他们在北京大学攻读博士学位期间完成获得的。他们对本项目的贡献排序如下：贾传成排名2；曹阳排名3；刘松排名4。