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，即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的郭雪峰（点击查看介绍）课题组和杨金龙（点击查看介绍）课题组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，北京大学化学与分子工程学院的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（Science, 2006, 311, 356; Acc. Chem. Res., 2015, 48, 2565），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（Sci. Adv., 2016, 2, e1601113; Small Methods, 2017, 1700071; Sci. Adv., 2018, 4, eaar2177; Nat. 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，他们在课题组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，以此构建石墨烯基单分子场效应晶体管。具体从电化学窗口以及正负栅压下双电层的对称性等方面考虑，他们筛选了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的平台。
器件结构和工作原理示意图
在功能分子方面，他们与中国科学技术大学的杨金龙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。发现对于三联苯和六联苯分子体系，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。因此在非氧化还原活性分子体系，他们首次实现了双极性单分子场效应功能。结合理论，作者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，HOMO轨道主导器件的导电性；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，由此表明通过栅压调控可实现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
该研究成果在线发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上，有望产生微电子器件微小化的芯片集成颠覆性核心技术。北京大学的郭雪峰教授和中国科学技术大学的杨金龙教授为该工作的共同通讯作者，文章的并列第一作者为辛娜博士、李星星博士和贾传成博士。该工作得到科技部、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。
该论文作者为：Na Xin, Xingxing Li, Chuancheng Jia, Yao Gong, Mingliang Li, Shuopei Wang, Guangyu Zhang, Jinlong Yang, Xuefeng Guo
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Tuning Charge Transport in Aromatic‐Ring Single‐Molecule Junctions via Ionic‐Liquid Gating
Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 14026, DOI: 10.1002/anie.201807465
导师介绍
郭雪峰
https://www.x-mol.com/university/faculty/8666
杨金龙
https://www.x-mol.com/university/faculty/14848
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