化学学院郭雪峰课题组在单分子场效应晶体管研究中取得重要进展

场效应晶体管是构建电子电路的基本单元器件，其基础原理为使用第三端栅电极来调控源漏两端电极之间的电流。通过外加电场调控单个分子中的电荷传输可以实现单分子场效应功能，这既符合电子器件微小化发展趋势，也为单分子尺度的基础研究提供了很多契机。然而，如何在单分子水平上构建高效可靠的场效应晶体管器件一直存在巨大的挑战。最近，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组和合作者开发了国际上第一种基于离子液体栅和石墨烯基单分子器件平台的单分子场效应器件，实现了单分子电荷输运的高效控制。

基于离子液体栅的石墨烯基单分子场效应晶体管器件效果图

近年来，郭雪峰课题组与合作者基于其实验室前期开发的石墨烯基单分子器件平台（Acc. Chem. Res. 2015, 48, 2565； RSC Advances 2018, 8, 6814），研制了单分子光开关等功能器件（Science 2016, 352, 1443； J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 2849），探索了单分子尺度的立体电子效应（Nano Lett. 2017, 17, 856）和化学反应动力学的本征规律（Science Advances 2016, 2, e1601113；Small Methods, 2017, 1700071； Science Advances 2018, 4, eaar2177；Nature Commun. 2018, 9, 807； Nano Lett. 2018, 18, 4156），并应邀撰写了两篇系统性的权威综述（Chem. Rev. 2016, 116, 4318；Chem 2017, 3, 373），掀起了单分子电子学领域的复兴和研究热潮。

最近，郭雪峰课题组与合作者在已有的石墨烯基单分子异质结的基础上首次引入离子液体栅极，通过施加栅压形成有效的双电层静电场，以此构建出石墨烯基单分子场效应晶体管。从具体的电化学窗口以及正负栅压下双电层的对称性等方面考虑，他们筛选出一种阴阳离子尺寸匹配的离子液体（DEME-TFSI）；这种离子液体栅的双电层厚度约为0.75 nm，能够在较小的栅压范围内产生强的静电场，从而有效地调控分子的能级。由于离子液体的凝固点较低 (~180 K)，可以实现较大温度范围内连续的栅压调控。这种器件结构克服了长期困扰该领域的短沟道效应，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。

器件结构和工作原理示意图

在功能分子方面，课题组与中国科学技术大学杨金龙教授课题组合作设计合成了系列联苯分子结构，通过改变苯环的数目调控分子的长度，研究分子长度对单分子场效应晶体管性能的影响规律。对于三联苯和六联苯分子体系，他们发现随栅压从负值变到正值，器件的电导特性表现为先减小后增大。继而在非氧化还原活性分子体系，合作团队首次实现了双极性单分子场效应功能。他们结合理论计算了不同栅压下分子器件的透射谱，结果表明，在三联苯和六联苯分子体系中，随栅压值从负到正的变化，分子轨道能级相对于石墨烯费米能级逐渐下移：先是HOMO轨道主导器件的导电性发生变化，当LUMO轨道比HOMO轨道更靠近石墨烯电极的费米能级后，LUMO则取代HOMO成为器件导电性的主要贡献轨道。这表明通过栅压调控实现了载流子由空穴到电子的转变。

分子轨道LUMO和HOMO的偏压依赖性示意图

该研究成果以“Tuning Charge Transport in Aromatic–Ring Single–Molecule Junctions via Ionic Liquid Gating”为题于2018年9月14日在线发表于《德国应用化学》上（Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201807465）。郭雪峰和杨金龙为共同通讯作者，文章并列第一作者为博士生辛娜、李星星和贾传成。该工作得到来自科技部、国家自然科学基金委、北京市科委和北京大学等项目的支持。