郭雪峰课题组在单分子开关器件研究中取得重要进展

zihaogan

偶氮苯分子作为典型的光致变色分子，在紫外和可见光的照射下，可实现顺式与反式结构之间的相互转化。在单分子水平研究偶氮苯分子的异构化，不仅能实时观测单个异构化事件的动力学过程，揭示其对外界刺激响应的规律，同时也有望实现单分子水平的开关、存储器等，从而实现器件微型化/功能化的目的。近几年，在扫描隧道显微镜中观察到了电场诱导偶氮苯分子异构化的现象，但是其异构化的机理尚不明确。近日，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组、中国科学院物理研究所孟胜课题组和加拿大麦吉尔大学郭鸿课题组合作在石墨烯基单分子器件的基础上发现了电场能有效调控偶氮苯分子结构的现象（图1a），结合理论揭示了偶氮苯分子双模式异构化的内在物理机制。

图1：a，偶氮苯单分子器件的结构示意图；b，偶氮苯顺反结构的偶极矩变化

他们与合作者设计合成了以三联苯为主链，偶氮苯为侧链的分子，并在末端修饰上氨基，通过酰胺键将分子连接在石墨烯电极之间。该分子的反式与顺式两种不同的构象不仅在分子结构上有较大的差异，而且其偶极矩在沿主链方向上也有很大的不同（图1b）。利用单分子器件平台，他们通过电学手段系统研究了偶氮苯分子对偏压以及光照的响应规律。分子结构的变化会影响分子的轨道能级，进而在电学测试中通过电导的变化表现出来。

实验发现，偶氮苯分子在某一方向的电场下，会发生由反式到顺式的构象变化，即电场会诱导偶氮苯分子异构化。结合理论计算，他们发现由于反式与顺式结构下偶氮苯分子沿主链方向的偶极矩不同，因此电场对分子能量的调控能力有差异。在某一个电场方向下，随着电场场强的增加，偶氮苯分子顺式结构与反式结构的能量差逐渐减小，继续增加电场强度，顺式结构的能量就会低于反式结构的能量，顺式结构更加稳定。而在相反的电场方向下，顺式结构与反式结构的能量差随着电场强度逐渐增大，反式结构始终是最稳定的结构。与此同时，在低偏压条件下他们还实现了在不同波长的光照下偶氮苯分子在反式与顺式结构之间的可逆调控（图3）。该工作结合实验和理论成功地构建了一类全可逆的光诱导和电场诱导的双模式单分子光电子器件，并首次提出了通过“侧基化学门控”方法实现单分子导电性实时调控的新手段。石墨烯电极和偶氮苯分子间牢固的共价键链接方式使得这些单分子开关器件具有良好的稳定性和可重现性，在未来高度集成的信息处理器、分子计算机和精准分子诊断技术等方面具有巨大的应用前景。

该研究成果以“Side-group chemical gating via reversible optical and electric control in a single molecule transistor”为题发表于2019年3月29日在线发表在Nature Communications上（Nature Communications 2019, 10, 1450）。北京大学郭雪峰教授、中国科学院物理研究所的孟胜研究员和加拿大麦吉尔大学郭鸿教授为该工作的共同通讯作者，文章的共同第一作者分别是孟胜课题组的孟利楠、郭雪峰课题组的辛娜和郭鸿课题组的胡晨。该工作得到了来自科技部、国家自然科学基金委、北京市科委和北京大学等基金的支持。感谢武汉大学汪成教授和中国科学院物理研究所的张广宇研究员在实验过程中的大力帮助。

链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09120-1

郭雪峰，北京大学教授，杰青，科技部重点研发计划首席科学家和 中组部“万人计划”领军人才。2001年于北京师范大学获得学士和硕士学位，2004年于中国科学院化学研究所获得博士学位。2004~2007年在哥伦比亚大学纳米中心、化学系和物理系从事博士后研究工作。2008年入职北京大学。主要从事分子材料和器件的研究，发展了制备碳基电极的稳定单分子器件的突破性方法，构建了国际首例稳定可控的单分子电子开关器件，发展了单分子电学检测新技术，开拓了单分子科学与技术研究的新领域。已发表包括2篇Science 在内的SCI论文147余篇（IF>10，57篇），引起了科学和工业界的广泛关注，《Scientific American》、《Nature》、《Science》等期刊和媒体以不同的形式亮点报道过25余次，应邀在Chem. Rev. 、Acc. Chem. Res.和Chem. Soc. Rev.等国际权威期刊上撰写邀请综述多篇，表明这些工作处于国际领先地位，是世界上能开展单分子电子学研究为数不多的几个代表性课题组之一。拥有或申请了国际国内专利14项，曾获全国百篇优秀博士论文奖、日本化学会“The Distinguished Lectureship Award”奖、中国化学会青年化学奖、教育部自然科学奖一等奖、中国高等学校十大科技进展和中国科学十大进展等奖励。作为首席科学家承担了科技部重点研发计划，主持了国家自然科学基金仪器项目、重点项目和杰青项目。

郭鸿，男，教授，加拿大皇家科学院院士、美国物理学会会士。   1976年进入四川师范大学物理系学习，1979年毕业而后留校任教，1981年作为第一批通过李政道教授组织的CUSPEA考试赴美留学；1987年获得美国匹兹堡大学物理系理论凝聚态物理学博士学位（在此期间还获得实验物原子物理学硕士和计算机科学系的硕士学位）。1990年开始在加拿大麦吉尔大学任教，现为麦吉尔大学物理系James McGill 讲座教授，中国科学院北京物理研究所量子结构中心成员，兼任香港大学物理系Honory Professor 、四川大学长江学者奖励计划讲座教授。主要研究领域为纳米电子学电输运理论，电子器件物理，材料物理，统计物理和计算物理。