单分子器件基础研究获新进展

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室单分子物理化学研究团队，利用低温超高真空扫描隧道显微镜，巧妙地对三聚氰胺这个比头发丝的六万分之一还细的小分子进行了单分子手术，将其从普通化工原料转变为既有二极管效应又有机械开关效应的双功能单分子器件，为单分子器件的多功能化开辟了新的思路。这一成果发表在近期出版的美国《国家科学院院刊》（PNAS）上。随着电子器件不断小型化，科学家期望利用单个分子构建电子元件。近年来，国内外不少研究组在实验上成功地利用已有分子的固有性质实现了单分子器件功能，但在构建单分子器件中仍然面临着两个重要课题：一方面，考虑到寻找具有理想电子学功能的分子十分困难，通过分子手术的方法对已有分子进行改造显得十分必要；另一方面，对分子器件进行功能集成是我们进入分子电子学时代的一个关键，如果能够在单个分子上实现多功能集成，将大大提高器件集成度，从而构造更小、更快、能耗更少的电子设备。该团队通过3年的实验和理论研究的紧密合作，发现三聚氰胺分子可以通过人工单分子操控被改造为具有显著二极管效应和开关效应的双重功能分子。在室温下，三聚氰胺分子吸附到铜表面时会发生化学反应脱去两个氢原子，从而与表面铜原子形成化学键，得到与表面垂直的吸附构型，分子的输运曲线表现为正负电压下对称的特征。通过扫描隧道显微镜对其进行单分子手术，将分子支链的一个氢原子“移植”到分子中间的环上，实现了三聚氰胺分子的异构化，造成分子轨道相对于费米面的不对称性，使得输运特性显示出明显的二极管效应。通过非弹性隧穿电子的多电子激发过程进一步诱导其顶端N-H键的可逆转动，得到电导不同的双稳态结构，实现了单分子机械开关效应。美国《国家科学院院刊》审稿人认为，该工作“结果可靠，创新性强，代表了这个领域的发展水平”。据悉，这项成果是该研究团队利用分子手术实现对单分子磁性控制后，再次成功地通过分子手术技术取得的重要研究成果。该工作获得了科技部重大科学研究计划、国家自然科学基金、中科院知识创新工程方向性项目的资助。（来源：科学时报胡胜友）