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郭雪峰课题组在Nature Reviews Physics和Chem上发表重要综述

 

     2016年初半导体工业界宣布一方面延续摩尔定律,继续追求器件尺寸的微小化另一方面提出以功能为导向来构建电子电路的策略分子电子学为这一策略提供了全面的发展思路:利用单个或几个有机分子作为电子电路的功能单元。有机分子材料具有尺寸小、结构/功能多样化和成本低等特点,这构建功能化的电子器件提供了广阔的发展空间和应用前景。因而,自1974年单分子电子学的理论模型提出以来,这一研究领域激起了来自化学、材料、物理、电子工程等领域的科学家的广泛研究兴趣。现如今,分子电子学已经发展成为纳米科学的一个重要分支。然而,如何精准构建可控的高性能单分子器件一直是这一领域所面临的重大挑战。

    www.js3311.com雪峰课题组长期致力于构建性能稳定可控的单分子电子器件。他们和合作者发展了国际上单分子电子学研究的新技术和新方向开发碳基单分子器件的研究平台:利用电子束曝光和氧等离子体刻蚀等微纳加工工艺制备边缘羧基修饰的两代碳基纳米间隙点电极,通过与末端为氨基的分子发生反应,形成酰胺共价键为接触界面的石墨烯-分子-石墨烯异质结,解决了器件稳定性差、制备困难的核心问题Science 2006, 311, 356Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 12228Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 3906。基于这一可靠器件平台,该课题组和合作者在构建功能化分子器件方面取得了一系列原创性的研究成果,包括单分子开关Science 2016, 352, 1443Nat. Commun. 2019, accepted for publication Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 125, 8666Nano Lett. 2017, 17, 856J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 2849、单分子化学/生物传感器(Adv. Mater. 2013, 25, 3397Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 163Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2496Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 8886Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5038Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9036Chem. Sci. 2015, 6, 2469分子场效应晶体管Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 14026Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 11452Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 691Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2743Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6319Adv. Mater. 2010, 22, 20发展了单分子电学检测的关键性技术,并且在单分子化学反应动力学方面进行了一系列的创新探索,包括分子间主客体相互作用Sci. Adv. 2016, 2, e1601113亲核加成反应Sci. Adv. 2018, 4, eaar2177、氢键相互作用Nat. Commun. 2018, 9, 807和亲核取代反应Nano Lett. 2018, 18, 4156,证实了利用单分子电学检测方法研究单分子反应动力学的可行性,为实现单分子化学反应动态过程的可视化研究迈出了重要的一步。这些结果为揭示物质转换规律和生命本征现象提供了独特的研究方法,有可能产生颠覆性的芯片核心技术和精准分子诊断技术经过十几潜心专雪峰课题组已成为世界上能开展碳基单分子器件研究的代表性课题组之一,其研究工作处于国际领先地位Acc. Chem. Res. 2008, 41, 1731Acc. Chem. Res. 2015, 48, 2565Chem. Rev. 2016, 116, 4318Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 5642

    基于上述研究工作基础,该课题组2017应邀在Chem上撰写评论性综述,题为The Renaissance of Molecular Electronics总结了近年来在构筑功能化单分子器件方面所取得的重大进展,探讨了单分子电子器件面向未来发展所面临的挑战和机遇Chem 2017, 3, 373积极推动了单分子电子学领域的发展最近该课题组美国西北大学J. Fraser Stoddart组合作,2019225Nature Reviews Physics在线发表长篇综述,题为Concepts in the Design and Engineering of Single-Molecule Electronic Devices结合近年来单分子电子学领域的研究进展,首次从工程学的角度系统地探讨了如何依据构效关系构建性能可控的稳定单分子器件的理念Nat. Rev. Phys. 2019, DOI: 10.1038/s42254-019-0022-x(图1具体要点如下:1单分子异质结分成三个相互关联的单元电极、界面和分子骨架/功能中心;2)选择电极材料需要考虑的因素对空气化学惰性、易加工性、合适的功函以及与分子材料良好的兼容性;3)界面的稳定性和电子耦合强度与电极-锚定基团的结合能成正相关,而通过在分子骨架和锚定基团之间引入间隔基团可以实现这二者对分子本征性能影响有效控制4分子骨架的调控因素有分子长度、主链的几何构型、功能中心的响应性和侧链基团,这为探索分子材料本征的物理性质和实现功能化提供了机遇;5)在面向未来工业化应用方面,单分子电子器件需要改善的方面有器件的均性、稳定性、集性以及理论模型的精确性。此外,单分子电子学的研究为分析化学的终极目标单分子检测提供了技术基础该领域由于其跨学科的特点,需要化学、材料、物理、电子工程、生物等领域的科学家的强强合作来推动其快速发展。相信这篇综述将为单分子电子学的研究提供独特的视角,推动该领域的健康发展。

1单分子器件的精准构筑及其功能化示意图

   该系列工作得到了来自国家自然科学基金委、科技部、北京市科委和金沙网站等项目的支持金沙网站雪峰是Chem通讯作者金沙网站郭雪峰和美国西北大学J. Fraser StoddartNature Reviews Physics共同通讯作者两篇文章的第一作者金沙网站已毕业博士辛娜感谢Mark A. RatnerAbraham Nitzan在文章撰写过程中帮助。

链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929417303534

链接:https://www.nature.com/articles/s42254-019-0022-x

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