石墨烯電極：提升分子電子學納米器件的性能！

導讀

最近，一支國際科研團隊協力攻關，開發出一種新方案，進一步拓展了基於石墨烯的新一代分子電子學器件的性能。

關鍵字

分子電子學、石墨烯

背景

為了幫助大家更好地理解今天要介紹的創新研究成果，讓我們還是從一門前沿科學談起，它就是：

分子電子學

顧名思義，所謂的分子電子學就是在分子水平上的電子學。它主要是研究和利用分子結構單元製造電子器件。與許多前沿科技一樣，這也是一項跨學科的研究，跨越物理、化學、材料等多個學科領域。對於電子器件的控制，如果能在分子水平完成，那麼就可以減小電子器件的尺寸。

之前，筆者在《摩爾定律，是生存還是毀滅？》一文中也提及了相關概念，相對於傳統的硅基集成電路來說，分子電子學的出現和發展，為摩爾定律保持生機與活力，又帶來了一種新希望。

科學家通過分子電子學的方法，已經設計出導線、晶體管、整流器和場效應管、開關等器件，甚至可以將分子器件組成完整的邏輯電路。

那麼，石墨烯會給分子電子學帶來什麼幫助呢？

石墨烯，是一種典型的二維材料，它只有薄薄的單層碳原子的厚度，在力學、電學 、光學 、熱學等方面都具有優異的特性，享有「新材料之王」的美譽。

之前，筆者也多次介紹石墨烯的相關研究和應用，例如在感測器、晶體管、電池等方面，有興趣的朋友可以參考閱讀一下。

2016年6月份，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協力攻關，利用二芳烯分子為功能中心、石墨烯為電極成功實現了可逆單分子光電子開關器件的構建，這也標誌著中國在分子電子學的研究達到國際領先水平。

石墨烯–二芳烯單分子器件的示意圖。

（圖片來源：參考資料【3】）

石墨烯電極，與金屬構建的分子結相比，由於石墨烯與功能分子之間的其界面耦合較弱，以及石墨烯零帶隙的優點，其電荷的轉移能力更強。

筆者也曾在《石墨烯：超導天賦被激發，有望用於分子電子設備！》一文中介紹過石墨烯有望應用分子電子器件，其中研究人員曾指出：

「總體上說，因為各種類型的化學分子都可以綁定在石墨烯表面，這項研究可以促進基於石墨烯的、功能新穎的分子電子器件的開發。」

創新

最近，關於石墨烯的分子電子學研究又有了新突破。瑞士伯爾尼大學和英國國家物理實驗室（NPL）的研究人員組成的國際研究團隊協力攻關，開發出一種新方案，進一步拓展了基於石墨烯的新一代分子電子學器件的性能。這項研究發表於《科學進展》雜誌上。

研究人員描述了室溫條件下的基於石墨的分子電子器件的特性，展示了分子可以共價鏈接到機械結構穩定的石墨烯基質上的，成為下一代分子電子學器件的理想候選方案。

（圖片來源：Alexander Rudnev/瑞士伯爾尼大學）

這項研究成果將促成尺寸更小、性能更高的器件。同時，它也將帶來一些列的應用例如分子感知、柔性電子、能量轉換和存儲、以及用於穩健測量電阻標準的裝置等。

技術

正如筆者前面所介紹的，納米分子電子學，致力於利用單個分子作為電子器件的結構單元，從而提高電子器件的功能性。因此，這將進一步推動器件的小型化和控制能力。

然而，目前這一領域技術進步道路上最主要障礙之一就是：

分子和金屬之間缺乏一種穩定的連接，讓它們既可以在室溫下操作，又可以提供可重現的結果。

正是由於這一障礙，研究人員想到了採用石墨烯。石墨烯不僅具有出色的機械穩定性，而且也有極好的導電和導熱性。

瑞士伯爾尼大學的實驗專家和英國國家物理實驗室（NPL）、西班牙巴斯克大學（UPV/EHU）的理論專家組成的團隊，與日本中央大學合作，開發出這種基於多層石墨烯的分子電子學器件，尺寸能夠縮小到單分子的極限。

這項研究代表了開發基於石墨烯的分子電子學器件所取得的重要進展，分子和石墨烯之間具有可重現的共價鍵性質（即使在室溫條件下），從而突破了現有的鑄幣金屬材料所存在的技術局限。

基於石墨烯的電子器件，對於特殊分子具有吸附作用，使得器件可以具有特殊的功能，主要是修改其電阻。但是，將整個設備的特性和單個分子的吸附特性相關聯是很困難的。因為數量被平均後，無法從石墨烯表面識別出較大的變化。

來自瑞士伯爾尼大學化學系的 Alexander Rudnev 博士和 Veerabhadrarao Kaliginedi 博士，在單個分子連接石墨或者多層石墨烯電極的情況下，使用獨特的低噪音試驗技術進行了測量，分析這些分子間的變化。

在 Ivan Rungger 博士（NPL） 和 Andrea Droghetti 博士（UPV/EHU）進行的理論計算指導下，研究顯示這種石墨表面的變化非常小，位於石墨烯頂層的某個分子化學接觸性質，影響著單分子電子器件。Rudnev 博士說：

「我們發現仔細設計基於石墨烯的材料的分子化學接觸，我們可以調整它們的功能。單分子電極顯示出，電流的整流方向實際上可以通過改變每個分子的化學接觸特性來切換。」

價值

對於這項創新研究的價值，Kaliginedi 博士總結說：

「我們相信這項研究代表朝著分子電子器件的實際開發，邁出了重要一步，並且我們希望通過室溫條件下穩定的化學綁定，研究領域方向會發生顯著改變。」

這項研究也幫助了工作在電催化和能量轉化研究方面的研究人員，在實驗系統中設計石墨烯/分子介面，提升催化劑或者器件的效率。

參考資料

【1】http://www.unibe.ch/news/media_news/media_relations_e/media_releases/2017_e/media_releases_2017/graphene_electrodes_offer_new_functionalities_in_molecular_electronic_nanodevices/index_eng.html

【2】Ivan Rungger et al. Stable anchoring chemistry for room temperature charge transport through graphite-molecule contacts. Science Advances, June 2017 DOI: 10.1126/sciadv.1602297

【3】http://science.sciencemag.org/content/352/6292/1443

需要進一步探討交流的朋友，請直接聯繫作者微信：JohnZh1984，或者微信關注公眾號：IntelligentThings。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！