芯片是信息技术产业的核心，是支撑社会经济发展和保障国家安全的关键之一。在传统CMOS微缩可能面临终结的关键时刻，以新材料、新结构和新原理为主要特征的超低功耗微电子器件技术，有望提供集成电路发展的新途径，是突破当前集成电路芯片领域存在的瓶颈的有效途径。其中，利用单个分子构建光电子元器件得到了广泛的关注。单分子器件可以将器件尺寸缩小至单分子水平，可以作为存储器、二极管、场效应晶体管及开关等，其中单分子场效应晶体管的构筑和小型化是高性能电子器件微型化的关键之一。寻找多功能单分子器件对于减少器件尺寸、提高纳米电子电路的集成度至关重要，有望开拓出芯片发展的新机遇。然而，实用型单分子场效应晶体管需要具备强栅极调节能力、高器件开关比、低功耗、易操作性、可控性和室温稳定性等性能，制备出具有这些特点的多功能单分子器件仍是一个巨大挑战。
最近，郭雪峰课题组与合作者制备了基于卟啉的单分子器件，成功实现了高性能的卟啉单分子场效应以及电学开关功能，并揭示了在单分子尺度上卟啉内部氢的迁移机理（图1）。
图1. 基于卟啉单分子结的多功能器件
不同于传统场效应晶体管的工作原理，单分子场效应晶体管通过栅电压调控分子轨道来控制分子结中的电流。研究证明，基于离子液体栅的三端器件—卟啉单分子场效应晶体管—在室温下展现出了优异的场效应性能（图2）：输出曲线和转移曲线均表现出了明显的栅响应性质，开关比可达4800，亚阈值摆幅约为179 mV/dec；从二维微分电导谱中发现卟啉单分子场效应晶体管具有稳定、可重复的双极调控性能，并且定量地得到每增大1 V的栅压，分子轨道移动约0.5 eV，展现出较强的栅调控能力；上述实验结论与理论计算结果吻合。
图2. 基于离子液体栅的卟啉单分子场效应晶体管的性质
在两端器件中利用卟啉分子结实现了双稳态和四稳态的电学开关。在160 K至300 K下分子器件的伏安特性曲线表现出了稳定、可重现的两条包络线结构；同时在对器件电流的实时监测中发现了明显的电导双稳态。在电流的实时监测图中通过单指数拟合分别得到高低电导态的停留时间和反应速率，进而通过阿伦尼乌斯方程拟合出双态反应中的反应活化能，与理论计算得到的卟啉内氢迁移反应中的活化能吻合，因此双稳态电学开关来源于卟啉的内氢迁移反应。进一步通过理论计算中不同构型的热力学参数，严格确定了高低态的归属（图3）。
图3. 单分子卟啉双稳态电学开关。
在100 K至140 K下，在分子结的伏安特性曲线的较高偏压位置，发现了四个独立电导态的裂分，进一步对分子结电流进行实时监测，发现了相互转化的四个电导态。由于分子结中分子的对称性，确定新增的两个电导态来自于下图4B中的两个对称结构。通过对四稳态时序的进一步分析，得到了其中的相互转化关系，结合理论计算给出了每一步反应相应的活化能。
图4. 单分子卟啉四稳态电学开关
该研究工作于2023年3月23日以“Single-Molecule Field Effect and Conductance Switching Driven by Electric Field and Proton Transfer”为题，发表于Science Advances上（Sci. Adv., 2023, 8, eabm3541）。文章的共同第一作者分别是在北京大学化学与分子工程学院合作培养的北京科技大学博士研究生严壮，中国科学技术大学副教授李星星以及天津大学博士研究生李玉森。北京大学化学与分子工程学院郭雪峰教授、北京科技大学王荣明教授、南开大学贾传成教授、中国科学技术大学杨金龙教授以及天津大学陈龙教授为共同通讯作者。这项研究得到了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。
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