导读

最近，一支国际科研团队协力攻关，开发出一种新方案，进一步拓展了基于石墨烯的新一代分子电子学器件的性能。

关键字

分子电子学、石墨烯

背景

为了帮助大家更好地理解今天要介绍的创新研究成果，让我们还是从一门前沿科学谈起，它就是：

分子电子学

顾名思义，所谓的分子电子学就是在分子水平上的电子学。它主要是研究和利用分子结构单元制造电子器件。与许多前沿科技一样，这也是一项跨学科的研究，跨越物理、化学、材料等多个学科领域。对于电子器件的控制，如果能在分子水平完成，那么就可以减小电子器件的尺寸。

之前，笔者在《摩尔定律，是生存还是毁灭？》一文中也提及了相关概念，相对于传统的硅基集成电路来说，分子电子学的出现和发展，为摩尔定律保持生机与活力，又带来了一种新希望。

科学家通过分子电子学的方法，已经设计出导线、晶体管、整流器和场效应管、开关等器件，甚至可以将分子器件组成完整的逻辑电路。

那么，石墨烯会给分子电子学带来什么帮助呢？

石墨烯，是一种典型的二维材料，它只有薄薄的单层碳原子的厚度，在力学、电学、光学、热学等方面都具有优异的特性，享有“新材料之王”的美誉。

之前，笔者也多次介绍石墨烯的相关研究和应用，例如在传感器、晶体管、电池等方面，有兴趣的朋友可以参考阅读一下。

年6月份，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组联合美国宾夕法尼亚大学AbrahamNitzan教授课题组、北京大学信息科学技术学院徐洪起教授课题组及其他合作者协力攻关，利用二芳烯分子为功能中心、石墨烯为电极成功实现了可逆单分子光电子开关器件的构建，这也标志着中国在分子电子学的研究达到国际领先水平。

石墨烯–二芳烯单分子器件的示意图。

（图片来源：参考资料）

石墨烯电极，与金属构建的分子结相比，由于石墨烯与功能分子之间的其界面耦合较弱，以及石墨烯零带隙的优点，其电荷的转移能力更强。

笔者也曾在《石墨烯：超导天赋被激发，有望用于分子电子设备！》一文中介绍过石墨烯有望应用分子电子器件，其中研究人员曾指出：

“总体上说，因为各种类型的化学分子都可以绑定在石墨烯表面，这项研究可以促进基于石墨烯的、功能新颖的分子电子器件的开发。”

创新

最近，关于石墨烯的分子电子学研究又有了新突破。瑞士伯尔尼大学和英国国家物理实验室（NPL）的研究人员组成的国际研究团队协力攻关，开发出一种新方案，进一步拓展了基于石墨烯的新一代分子电子学器件的性能。这项研究发表于《科学进展》杂志上。

研究人员描述了室温条件下的基于石墨的分子电子器件的特性，展示了分子可以共价链接到机械结构稳定的石墨烯基质上的，成为下一代分子电子学器件的理想候选方案。

（图片来源：AlexanderRudnev/瑞士伯尔尼大学）

这项研究成果将促成尺寸更小、性能更高的器件。同时，它也将带来一些列的应用例如分子感知、柔性电子、能量转换和存储、以及用于稳健测量电阻标准的装置等。

技术

正如笔者前面所介绍的，纳米分子电子学，致力于利用单个分子作为电子器件的结构单元，从而提高电子器件的功能性。因此，这将进一步推动器件的小型化和控制能力。

然而，目前这一领域技术进步道路上最主要障碍之一就是：

分子和金属之间缺乏一种稳定的连接，让它们既可以在室温下操作，又可以提供可重现的结果。

正是由于这一障碍，研究人员想到了采用石墨烯。石墨烯不仅具有出色的机械稳定性，而且也有极好的导电和导热性。

瑞士伯尔尼大学的实验专家和英国国家物理实验室（NPL）、西班牙巴斯克大学（UPV/EHU）的理论专家组成的团队，与日本中央大学合作，开发出这种基于多层石墨烯的分子电子学器件，尺寸能够缩小到单分子的极限。

这项研究代表了开发基于石墨烯的分子电子学器件所取得的重要进展，分子和石墨烯之间具有可重现的共价键性质（即使在室温条件下），从而突破了现有的铸币金属材料所存在的技术局限。

基于石墨烯的电子器件，对于特殊分子具有吸附作用，使得器件可以具有特殊的功能，主要是修改其电阻。但是，将整个设备的特性和单个分子的吸附特性相关联是很困难的。因为数量被平均后，无法从石墨烯表面识别出较大的变化。

来自瑞士伯尔尼大学化学系的AlexanderRudnev博士和VeerabhadraraoKaliginedi博士，在单个分子连接石墨或者多层石墨烯电极的情况下，使用独特的低噪音试验技术进行了测量，分析这些分子间的变化。

在IvanRungger博士（NPL）和AndreaDroghetti博士（UPV/EHU）进行的理论计算指导下，研究显示这种石墨表面的变化非常小，位于石墨烯顶层的某个分子化学接触性质，影响着单分子电子器件。Rudnev博士说：

“我们发现仔细设计基于石墨烯的材料的分子化学接触，我们可以调整它们的功能。单分子电极显示出，电流的整流方向实际上可以通过改变每个分子的化学接触特性来切换。”

价值

对于这项创新研究的价值，Kaliginedi博士总结说：

“我们相信这项研究代表朝着分子电子器件的实际开发，迈出了重要一步，并且我们希望通过室温条件下稳定的化学绑定，研究领域方向会发生显著改变。”

这项研究也帮助了工作在电催化和能量转化研究方面的研究人员，在实验系统中设计石墨烯/分子接口，提升催化剂或者器件的效率。

参考资料

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkzp/2381.html