郭雪峰: 通过离子液体栅极实现了芳环单分子结中电荷传输的调控

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受最初提出的单分子可作为电子器件电路中的功能单元的启发，研究人员一直努力在单分子水平实现各种功能，以及在原子/分子尺度上探测和理解材料的固有特性。单分子晶体管，即单个分子夹在两个纳米级间隙电极之间，而所得分子桥的能级由第三个近端电极控制，进而作为构成分子纳米电路的基本元件之一，吸引了众多研究兴趣。由于分子轨道能级的固有特性是影响分子结中电荷传输的最关键因素之一，这种三端器件结构也为探索量子传输和单分子新物理现象提供了普适性策略。目前研究人员已开发了几种方法来制造具有晶体管配置的栅电极的分子结。一般来说，有两种主要类型：一种是背栅，可用于电迁移分子结和机械可控断裂结(MCBJ)；另一种是电化学栅，广泛用于扫描隧道显微镜(STM)断裂结。

在前期工作中，北京大学郭雪峰教授、中国科学技术大学杨金龙教授等实现了在单分子水平上对氢键动态过程的原位直接观测(Nature Commun. 2018, 9, 807)。近日他们进一步合作报道了一种基于离子液体栅极的石墨烯-分子-石墨烯单分子结的新型芳环分子纳米晶体管，并在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Tuning Charge Transport in Aromatic-Ring Single-Molecule Junctions via Ionic-Liquid Gating”的研究论文。实验现象和理论计算证实，该离子液体栅极可以有效地调节分子前线轨道与石墨烯电极的费米能级之间的匹配关系，从而调节分子结的电荷传输特性。此外，利用小的栅极电压(|VG|≤1.5V)，实现了电化学惰性分子体系(EG> 3.5eV)中的双极电荷传输。上述结果为构建高性能的单分子场效应晶体管和研究与分子轨道能级相关的量子输运效应提供了可靠平台。

在GMG-SMJ平台基础上，作者展示了一种通过使用离子液体作为栅极介电层来调制分子轨道能级和石墨烯电极的费米能级的有效方法，从而实现栅极可控电荷传输。所有三种电化学惰性的芳族链单分子结都表现出栅极控制的电导行为，其中发现栅极效率在很大程度上取决于分子长度和EDL厚度之间的关系。三苯基和六苯基分子结均表现出双极性电荷传输特性，这是由于当栅极电压从负变为正时主导电子轨道从HOMO变为LUMO所致。因此，该器件架构为调节电荷传输提供了可靠的策略，是朝向实用单分子晶体管迈出的重要一步。由于离子液体可以保持其EDL不低于其凝固点，因此这种单分子晶体管可以进一步用于探索与栅极有关的量子传输和低温下单分子的新物理现象。

文献链接：Tuning Charge Transport in Aromatic-Ring Single-Molecule Junctions via Ionic-Liquid Gating (Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201807465)