近日，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组与东京大学Jun Terao课题组将分子桥绝缘保护后以共价键锚定于石墨烯电极之间，实现了磷光/荧光的高量子产率辐射，并成功应用于逻辑运算与实时通讯。
2024年1月25日，该研究成果以“Logic operation and real-time communication via tunable excited states in a single-molecule optoelectronic chip”为题在线发表在Chem期刊上。该工作的第一作者是北京大学博士后杨晨和郭逸霖。北京大学郭雪峰教授和东京大学Jun Terao教授为共同通讯作者。该项研究也得到了北京师范大学苏红梅和节家龙教授的实验帮助。
相比于传统的电子芯片，光电芯片具有更高的传输速度和带宽。其中光信号可以以光速传输，使其在高速通信和数据传输领域具有巨大的优势，是拓展摩尔定律的有效策略。以单个分子作为光电功能中心有望满足人们对器件微小化日益增长的需求，是未来分子光电子器件的基石。迄今为止，单个分子在器件性能和稳定性方面还有待提升，包括场效应晶体管的开关比，发光二极管的量子产率，以及逻辑器件的操作频率。其中，分子与外界的耦合是一个关键参数，强耦合可能会导致分子与外界的杂化，而弱耦合会削弱外部刺激的调制作用，这亟待分子工程、界面工程和电极工程的进一步发展。近日，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组与东京大学Jun Terao课题组将分子桥绝缘保护后以共价键锚定于石墨烯电极之间，实现了磷光/荧光的高量子产率辐射，并成功应用于逻辑运算与实时通讯（图1）。
图1：单分子光电芯片的示意图。
北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组长期致力于多功能单分子器件的研究，旨在解决当今社会对电子器件微小化日益增长的需求与摩尔定律失效之间的矛盾。通过分子工程学原理，以延续（More Moore）并超越（More than Moore）摩尔定律为科学目标，在分子尺度上构筑多功能分子器件。课题组前期通过引入离子液体栅、固态栅实现了高效单分子场效应晶体管（Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57, 14026;Nat. Commun.2022, 13, 1410;Sci. Adv.2022, 8, eabm3541）；通过光敏分子实现光、电开关（Science2016, 352, 1443;Nat. Commun.2019, 10, 1450）；通过引入分子对称性破缺实现单分子整流器（J. Am. Chem. Soc.2021, 143, 20811）；通过结构动态重构构筑单分子忆阻器（Adv. Mater.2022, 2204827）；通过共价键锚定荧光分子构筑单分子发光二极管（Adv. Mater.2023, 2209750）等，展示了基于单分子器件在芯片极小化、多功能化方面广阔的应用前景。
近期，课题组报道了另一种多功能单分子光电器件，由Pt-MB@CD（环糊精封装铂中心）分子桥、纳米间隙的石墨烯电极和硅基底组成。两侧的两个环糊精削弱了分子与环境的耦合，从而避免了相应的非辐射过程。石墨烯电极能够与分子形成牢固的共价界面，并进一步实现多分子集成（图2）。
图2：单分子光电器件结构示意图。
在光电联用表征单分子光物理的基础上，通过多模式电输入可观察到可调谐的单线态和三线态激发态（图2），利用单分子瞬态电致发光光谱监测到远高于宏观尺度的磷光寿命（图3）。其主要原因是分子运动、振动和旋转模式受到了限制，抑制了激发态能量的耗散。此外，只有一个分子锚定于器件，从根本上避免了三重态-三重态湮灭。
图3：用于测量磷光寿命的单分子瞬态电致发光光谱。
荧光和磷光的进一步调节以及选择性发射可以实现全面的二进制和三进制逻辑运算以及实时通信（图4）。多功能、高效的单分子光电器件将分子电子学与实际半导体应用联系起来，展示了单分子光电子器件的优势，为打破技术壁垒、发展新原理器件提供技术支撑，是单分子器件从实验室迈向工业生产的重要一步。
图4：使用单分子Pt-MB@CD器件进行二进制逻辑运算。
该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部和北京分子科学国家研究中心的联合资助。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.01.005
