郭雪峰课题组与刘志荣课题组合作：基于电场驱动的动态结构重构构建单分子忆阻器

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忆阻器被认为是一项有望延续摩尔定律的技术：两端结构中自触发固有电阻变化的特性使得忆阻器能够以更高的密度和更低的制造成本集成化，满足器件微小化，以及超级计算和非传统的类脑计算的需求。然而，现在忆阻器仍处于早期的发展阶段。为了进一步优化包括特征尺寸、记忆状态的持久性、写入擦除的耐受性、工作频率和开/关比等技术指标，近日，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组和刘志荣课题组合作发展了一种基于单个分子动态结构重构的记忆效应的新方法（图1）。有别于传统的电化学掺杂或电荷捕获机制，其原理是利用不同分子结构之间相对较高的能垒提供了稳定的记忆状态。此外，由于分子结构与其电导之间密切的构效关系，可以通过有机合成中的分子工程精确设计所需的电阻，以实现可调开/关比的多能级行为。单分子构建的忆阻器具有很大的潜力，其具备物理尺寸小、性能高、集成能力强等优点。

图1 基于电场驱动的动态结构重构的单分子忆阻器示意图

        北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组长期致力于单分子反应动力学机理的研究，与合作者一起揭示被系综平均掩盖的新机理和新现象，展示了基于单分子器件的平台在单分子反应动力学和单分子生物物理等基础研究方面的广阔应用前景。最近，他们以Fries重排作为模型反应，以单分子视角实时监测Fries重排的反应路径。在之前课题组直接观测分子间相互作用的基础上（Chem 2022, 8, 243; JACS Au 2021, 1, 2271; Sci. Adv. 2021, 7，eabe4365; Matter 2021, 4, 1 2874），直观地区分分子内与分子间的相互作用模式，阐明了长期具有争议的反应机制，为未来的分子相互作用研究提供了有力的工具。此外，研究发现外加偏压提供的电场可以有效地调节反应的能垒，这是在碳基单分子器件中继电场对反应过渡态正交（Sci. Adv. 2021, 7, eabf0689）或平行（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 3146.）于反应坐标调控之后，对反应底物/产物分布进行精准调控的又一新的进展。依据此，他们实现了不同状态（结构）之间的有效切换，满足制备忆阻器的条件（图2）。

图2 通过外电场调节Fries重排以在溶液中进行电阻切换操作

        此外，基于Fries重排的分子内反应路径，他们也发展了固态单分子忆阻器，可以避免其他底物分子的干扰，满足更广泛的应用需求。固态单分子忆阻器与液态单分子忆阻器类似：低电压读取，高电压擦除，转换电压方向写入（图3）。由于两个基元反应的高能垒，封装的单分子忆阻器可在没有电输入的情况下永久保持先前的记忆状态。因此，未来高度集成的单分子忆阻器阵列有望用于构建新一代基于人工神经网络的计算模型。

图3外电场调节的固态单分子忆阻器的电阻切换操作

         由分子结构重构衍生的忆阻行为具有持久保留的记忆状态、较高的写入擦除耐受性和工作频率、以及可调节的开/关比，将会激发新一代忆阻器件和计算模型的发展。该工作于7月21日以“A single-molecule memristor based on an electric field-driven dynamical structure reconfiguration”为题在线发表在Advanced Materials杂志上（Adv. Mater. 2022, 2204827., DOI: 10.1002/adma.202204827）。该工作的第一作者是北京大学博士生郭逸霖、博士后杨晨和博士生周澍瑶。北京大学郭雪峰教授和刘志荣教授为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金委、科技部和北京分子科学国家研究中心的联合资助。
        原文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202204827
        文章来源：北京大学
       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。
          刘志荣，北京大学教授。利用计算机模拟与计算手段研究影响生物大分子与低维纳米材料性质的物理与化学原理，目前主要集中于天然无序蛋白质、石墨烯、DNA解纠缠以及动力学加速算法等方面。