郭雪峰課題組在單分子場效應(yīng)晶體管研究中取得重要進展
場效應(yīng)晶體管是構(gòu)建電子電路的基本單元器件，其基礎(chǔ)原理為使用第三端柵電極來調(diào)控源漏兩端電極之間的電流。通過外加電場調(diào)控單個分子中的電荷傳輸可以實現(xiàn)單分子場效應(yīng)功能，這即符合電子器件微小化發(fā)展趨勢，也為單分子尺度的基礎(chǔ)研究提供了很多契機。然而，如何在單分子水平上構(gòu)建高效可靠的場效應(yīng)晶體管器件一直存在巨大的挑戰(zhàn)。最近，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院郭雪峰課題組和合作者開發(fā)了國際上第一種基于離子液體柵和石墨烯基單分子器件平臺的單分子場效應(yīng)器件，實現(xiàn)了單分子電荷輸運的高效控制。
基于離子液體柵的石墨烯基單分子場效應(yīng)晶體管器件效果圖
近年來，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院郭雪峰課題組與合作者基于其實驗室前期開發(fā)的石墨烯基單分子器件平臺（Acc. Chem. Res. 2015, 48, 2565; RSC Advances 2018, 8, 6814）研制了單分子光開關(guān)等功能器件（Science 2016, 352, 1443; J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 2849），探索了單分子尺度的立體電子效應(yīng)（Nano Lett. 2017, 17, 856）和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的本征規(guī)律（Science Advances 2016, 2, e1601113；Small Methods, 2017, 1700071; Science Advances 2018, 4, eaar2177；Nature Commun. 2018, 9, 807; Nano Lett. 2018, 18, 4156）。應(yīng)邀撰寫了兩篇系統(tǒng)性的權(quán)威綜述（Chem. Rev. 2016, 116, 4318；Chem 2017, 3, 373），掀起了單分子電子學(xué)領(lǐng)域的復(fù)興和研究熱潮。
最近，他們在課題組已有的石墨烯基單分子異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上首次引入離子液體柵極，通過施加?xùn)艍盒纬捎行У碾p電層靜電場，以此構(gòu)建出石墨烯基單分子場效應(yīng)晶體管。具體從電化學(xué)窗口以及正負柵壓下雙電層的對稱性等方面考慮，他們篩選了一種陰陽離子尺寸匹配的離子液體（DEME-TFSI）；這種離子液體柵的雙電層厚度約為0.75 nm，能夠在較小的柵壓范圍內(nèi)產(chǎn)生強的靜電場，從而有效地調(diào)控分子的能級。由于離子液體的凝固點較低 (~180 K)，可以實現(xiàn)較大溫度范圍內(nèi)連續(xù)的柵壓調(diào)控。這種器件結(jié)構(gòu)克服了長期困擾該領(lǐng)域的短溝道效應(yīng)，為構(gòu)建高性能的單分子場效應(yīng)晶體管和研究與分子軌道能級相關(guān)的量子輸運效應(yīng)提供了可靠平臺。
器件結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖
在功能分子方面，他們與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的楊金龍教授課題組合作設(shè)計合成了系列聯(lián)苯分子結(jié)構(gòu)，通過改變苯環(huán)的數(shù)目調(diào)控分子的長度，研究分子長度對單分子場效應(yīng)晶體管性能的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)對于三聯(lián)苯和六聯(lián)苯分子體系，隨柵壓從負值變到正值，器件的電導(dǎo)特性表現(xiàn)為先減小后增大。因此在非氧化還原活性分子體系，首次實現(xiàn)了雙極性單分子場效應(yīng)功能。結(jié)合理論，計算了不同柵壓下分子器件的透射譜。結(jié)果表明，在三聯(lián)苯和六聯(lián)苯分子體系中，隨柵壓值從負到正的變化，分子軌道能級相對于石墨烯費米能級逐漸下移，先是HOMO軌道主導(dǎo)器件的導(dǎo)電性；當LUMO軌道比HOMO軌道更靠近石墨烯電極的費米能級后，LUMO則取代HOMO成為器件導(dǎo)電性的主要貢獻軌道，表明通過柵壓調(diào)控實現(xiàn)了載流子由空穴到電子的轉(zhuǎn)變。
分子軌道LUMO和HOMO的偏壓依賴性示意圖
該研究成果以“Tuning Charge Transport in Aromatic–Ring Single–Molecule Junctions via Ionic Liquid Gating”為題于2018年9月14日在線發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上（Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201807465）。郭雪峰教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊金龍教授為該工作的共同通訊作者，文章的并列第一作者為辛娜博士、李星星博士和賈傳成博士。該工作得到了來自科技部、國家自然科學(xué)基金委、北京市科委和北京大學(xué)等項目的支持
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