利用單個分子構建電子器件有希望突破目前半導體器件微小化發展遇到的瓶頸，其中實現可控的單分子電子開關功能是驗證分子能否作為核心組件應用到電子器件中的關鍵步驟。在過去二十年，分子開關被廣泛的研究，但僅有的幾個單分子光開關器件研究工作都只能實現單向的開關功能，如何獲得真正意義上的分子電子開關仍然存在著巨大的挑戰。
有鑒于此，北京大學化學與分子工程學院郭雪峰課題組聯合美國賓夕法尼亞大學Abraham Nitzan教授課題組、北京大學信息科學技術學院徐洪起教授課題組及其他合作者最近在Science發表文章，利用二芳烯分子為功能中心、石墨烯為電極，成功構建了國際上首例全可逆的光誘導和電場誘導的雙模式單分子光電子器件。
圖1. 石墨烯–二芳烯單分子器件的示意圖
在前期建立起來的碳基單分子器件平臺基礎上，如圖1所示，郭雪峰課題組把二芳烯功能分子通過酰胺共價鍵連接到具有納米間隙的石墨烯電極中，構建了單分子電子器件。二芳烯功能分子能在不同波長的光照刺激下發生可逆構象變化，想要確保單個二芳烯分子在固態器件中表現出其本征的開關功能，關鍵在于克服分子和電極間的界面強強耦合。為此，通過理論模擬預測和分子工程設計，研究人員在二芳烯功能中心和石墨烯電極之間引入了關鍵性的亞甲基基團，從而成功實現了可逆單分子光電子開關器件的構建。
在紫外光和可見光的交替照射下，由于二芳烯功能分子發生開環和關環結構的可逆變化（圖1），單分子器件表現出相應的在高、低兩種導電態之間的可控轉變（圖2）。系統低溫測試結果證明，具有關環結構的二芳烯功能分子表現出奇特的電場誘導的隨機開關效應，而且這種隨機電開關效應具有明顯的溫度依賴性（圖3）。石墨烯電極和二芳烯分子穩定的碳骨架以及牢固的分子/電極間共價鍵鏈接方式使這些單分子開關器件具有空前的開關精度、穩定性和可重現性。
圖2 石墨烯–二芳烯單分子器件的可逆光開關效應
圖3 石墨烯–二芳烯單分子器件的溫度依賴隨機開關效應
在Science雜志同期文章中，美國明尼蘇達大學的C. Daniel Frisbie教授對這項工作進行了深入解讀（圖4），并闡述了其重要性。這一研究工作為國際上首次成功制備出可控的單分子電子開關，表明功能分子可以作為核心組件來構建電子器件，這是將功能分子應用到實用的電子器件邁出的重要一步。
圖4. 單分子開關設計要點
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2. C. Daniel Frisbie. Designing a robust single-molecule switch. Science, 2016, 352, 1394-1395.
