將大大提高器件集成度，從而構造更小更快能耗更少的電子設備
中國科學技術大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室單分子物理化學研究團隊，利用低溫超高真空掃描隧道顯微鏡，巧妙地對三聚氰胺這個比頭發(fā)絲的六萬分之一還細的小分子進行了單分子手術，將其從普通化工原料轉變?yōu)榧扔卸䴓O管效應又有機械開關效應的雙功能單分子器件，為單分子器件的多功能化開辟了新的思路。這一成果發(fā)表在近期出版的美國《國家科學院院刊》(PNAS)上。
隨著電子器件不斷小型化，科學家期望利用單個分子構建電子元件。近年來，國內(nèi)外不少研究組在實驗上成功地利用已有分子的固有性質(zhì)實現(xiàn)了單分子器件功能，但在構建單分子器件中仍然面臨著兩個重要課題：一方面，考慮到尋找具有理想電子學功能的分子十分困難，通過分子手術的方法對已有分子進行改造顯得十分必要;另一方面，對分子器件進行功能集成是我們進入分子電子學時代的一個關鍵，如果能夠在單個分子上實現(xiàn)多功能集成，將大大提高器件集成度，從而構造更小、更快、能耗更少的電子設備。
該團隊通過3年的實驗和理論研究的緊密合作，發(fā)現(xiàn)三聚氰胺分子可以通過人工單分子操控被改造為具有顯著二極管效應和開關效應的雙重功能分子。在室溫下，三聚氰胺分子吸附到銅表面時會發(fā)生化學反應脫去兩個氫原子，從而與表面銅原子形成化學鍵，得到與表面垂直的吸附構型，分子的輸運曲線表現(xiàn)為正負電壓下對稱的特征。通過掃描隧道顯微鏡對其進行單分子手術，將分子支鏈的一個氫原子“移植”到分子中間的環(huán)上，實現(xiàn)了三聚氰胺分子的異構化，造成分子軌道相對于費米面的不對稱性，使得輸運特性顯示出明顯的二極管效應。通過非彈性隧穿電子的多電子激發(fā)過程進一步誘導其頂端N-H鍵的可逆轉動，得到電導不同的雙穩(wěn)態(tài)結構，實現(xiàn)了單分子機械開關效應。
美國《國家科學院院刊》審稿人認為，該工作“結果可靠，創(chuàng)新性強，代表了這個領域的發(fā)展水平”。
據(jù)悉，這項成果是該研究團隊利用分子手術實現(xiàn)對單分子磁性控制后，再次成功地通過分子手術技術取得的重要研究成果。該工作獲得了科技部重大科學研究計劃、國家自然科學基金、中科院知識創(chuàng)新工程方向性項目的資助。
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