可定向和逐步控制的分子输运结用于逻辑运算

分子电子学因其在化学设计,可控组装和小尺寸等独特效应为电子学的发展提供了新的解决方案。分子输运结是分子电子学中最基本的结构,除了被用于单独的分子导电性的研究之外,还被开发成功能性的电子元件,如电阻器,二极管,开关,晶体管,忆阻器等。同时这些元件还可以借助光,力,磁场,电场和电化学势等外部驱动力来调节分子的结构或构象,并因此提升整个分子元件器件的性能。因此,我们想知道,利用这些外部驱动力的协同作用并且相应的开发多位点调控的功能元件是否可以进一步有效地推进整个分子电子学领域。

最近,通过国际间的合作交流,来自新加坡南洋理工大学和法国雷恩第一大学的研究者们开发了第一个可通过光和电协同控制的分子输运节型纳米器件。此纳米级的电子元件基于新近设计的有机金属化合物修饰的纳米间隙电极对。据其发表在Nature Communications上的结果显示,通过合理的施加正交的光照和电化学刺激,此分子元件具有开关效应的阻变现象,因此展示出在逻辑运算等应用中的巨大潜力。

 此可正交调控的纳米元件包括了由化学方法组装的纳米间隙电极对和钌配合物修饰的二芳基乙烯化合物功能分子。这种固定于电极表面的功能分子通过定位的和逐步的调控可以反复并且可重复的进行分子的同分异构化。在此,光照和电化学电势被用来实现这种分子结构上的重排。这些多功能团的分子输运结因此可以进一步设计成用来进行Boolean运算的逻辑元件,例如两端的OR或者3端的AND-OR。更为有趣的是,与其他基于化学系统逻辑门相比,这些元件可以简单地在可见光的帮组下进行重置,从而确保了循环操作的可能性。

没有合理的化学设计,功能分子的有效开关行为是不可能得以实现的。首先,二芳基乙烯中心是著名的光致变色基团,可以在π共轭的闭环状态和非共轭的开环状态间进行同分异构的转换,从而决定了整个纳米器件的导电状态。其次,钌配合物片段适当的调节了二芳基乙烯基团与金纳米电极间的电子耦合作用,而避免了在先前报道中的同类光敏化合物单向开关的问题。同时, 在金属中心的促进下,此化合物可以在较低的电位下完成电化学闭环,保证了功能分子和电极间稳定的共价键链接。此外,在设计的由三钌配合物和两二芳基乙烯中心组成的分子中,由于其独特的电子结构,研究者首次实现了对分子器件的分布调控。

“值得注意的是, 这个新兴领域的发展离不开化学、物理、生物、材料等学科的交叉发展”,本文的通讯作者之一,来自南洋理工大学的陈晓东教授认为,“这是一个利用先进的化学技术来研发进行复杂计算的纳米微电路的发展范例。”

来自于陈教授的研究组的博士研究生孟凡贲,该文章的第一作者,在文章结尾展望:“这种在纳米量级上对分子进行精确的控制是令人兴奋的,以合理的功能分子设计为基础,通过优化组装和造作条件,更多的分子电子元件可以被研制出来,有可能推动整个电子产业的进展。”