在最近發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上的一項研究中，來自哥倫比亞工程學院的研究人員宣布，他們創造出了高導電性、可調諧的單分子設備，在這種設備中，分子透過直接的金屬-金屬接觸連接到引線上。他們的新方法利用光來控制器零件的電子特性，為更廣泛地使用金屬-金屬接觸打開了大門，從而促進電子在單分子裝置上的傳輸。

利用光來控制電子特性，哥倫比亞工程公司的新型單分子裝置具有直接的金屬-金屬接觸，標誌著分子電子學的重大進展，有望提高電子元件的微型化和效率。來源：文卡特拉曼實驗室

挑戰

隨著設備不斷縮小，其電子元件也必須微型化。使用有機分子作為導電通道的單分子裝置有可能解決傳統半導體所面臨的微型化和功能化難題。這種裝置提供了利用光線進行外部控制的令人興奮的可能性，但到目前為止，研究人員還無法證明這一點。

分子電子學先驅、勞倫斯-古斯曼應用物理學教授兼哥倫比亞大學工程學院化學教授拉塔-文卡塔拉曼（Latha Venkataraman）說：「透過這項工作，我們開啟了分子電子學的一個新維度，即可以用光來控制分子如何在兩個金屬電極之間的間隙中結合。”這就像是在奈米尺度上打開了一個開關，為設計更智能、更高效的電子元件開闢了各種可能性。”

方法

近二十年來，Venkataraman 的研究團隊一直在研究單分子裝置的基本特性，探索奈米尺度上物理、化學和工程的相互作用。她的研究重點是建構具有各種功能的單分子電路，即一個分子連接兩個電極，電路結構以原子精度定義。

她的研究小組以及利用碳基二維材料石墨烯製造功能元件的研究小組都知道，在金屬電極和碳系統之間建立良好的電接觸是一項重大挑戰。解決方案之一是使用有機金屬分子，並設計出將電導線與分子內的金屬原子連接起來的方法。為了實現這一目標，他們決定探索使用有機金屬含鐵二茂鐵分子，而這種分子也被認為是奈米技術世界中的微小積木。就像樂高積木可以堆砌出複雜的結構一樣，二茂鐵分子也可以用來作為建造超小型電子設備的積木。研究團隊使用了以二茂鐵基團為端基的分子，該分子由兩個碳基環戊二烯環組成，環戊二烯環夾著一個鐵原子。然後，他們利用二茂鐵分子的電化學特性，在分子處於氧化狀態（即鐵原子失去一個電子）時，在二茂鐵鐵中心和金（Au）電極之間形成直接鍵結。在這種狀態下，他們發現二茂鐵可以與用於連接分子和外部電路的金電極結合。從技術上講，氧化二茂鐵可以使Au0 與Fe3+ 中心結合。

該研究的第一作者Woojung Lee 是Venkararaman 實驗室的博士生，他說：”透過利用光誘導氧化，我們找到了一種在室溫下操縱這些微小構件的方法，為未來在分子層面上利用光控制電子設備的行為打開了大門。”

潛在影響

Venkataraman 的新方法將使她的團隊能夠擴展用於創建單分子裝置的分子終端（接觸）化學類型。這項研究還表明，利用光來改變二茂鐵的氧化態，就能打開或關閉這種接觸，從而展示了一種基於二茂鐵的光開關單分子裝置。這種光控元件可為開發響應特定光波長的感測器和開關鋪路，從而為各種技術提供用途更廣、效率更高的元件。

團隊

這項工作是一項涉及合成、測量和計算的合作成果。合成工作主要由Michael Inkpen 在哥倫比亞大學完成，他曾是Venkataraman 小組的博士後，現在是南加州大學的助理教授。所有的測量工作都是由Venkataraman 小組的研究生Woojung Lee 完成的。計算由文卡塔拉曼小組的研究生和德國雷根斯堡大學的合作者共同完成。

下一步行動

研究人員目前正在探索光控單分子裝置的實際應用。這可能包括優化裝置性能、研究它們在不同環境條件下的行為，以及完善金屬-金屬介面所帶來的其他功能。