近日，我院洪文晶教授和兰州大学刘子桐教授合作，在单分子晶体管领域的研究取得重要进展，相关成果以“Supramolecular transistors with quantum interference effect”为题在线发表于J. Am. Chem. Soc. 上(DOI: 10.1021/jacs.3c08615）。
晶体管是集成电路的基本单元之一，信息技术的发展对晶体管器件的微型化提出了更高要求。单分子晶体管，即利用单个分子、超分子、团簇等作为导电沟道，以其微型化、低功耗和可实现原子级控制等优势，为这一挑战提供了潜在的解决方案。然而，目前单分子晶体管的性能，特别是开关比，仍然难以满足实际应用的需求。造成这一问题的根本原因在于室温条件下单分子晶体管中沟道材料的场效应性能较差。因此，开发新型单分子沟道材料以提升单分子晶体管的性能，是该领域亟待解决的关键问题。
针对上述问题，我院洪文晶教授团队和兰州大学刘子桐教授合作，使用超分子材料作为单分子晶体管的导电沟道，并利用电化学门控-扫描隧穿裂结技术，成功构建了基于噻吩-苯共聚寡聚物（TPCOs）超分子沟道的超分子电化学晶体管。实验结果表明，与对应的单分子沟道相比，TPCOs超分子沟道的场效应性能表现出显著优势，而且随着并噻吩共轭面积的增大，TPCOs超分子沟道的场效应性能也明显提升。更重要的是，通过控制TPCOs超分子材料的堆叠构型会显著影响晶体管隧穿电子的量子干涉效应，从而调控其场效应性能。但如何实现对π-π堆积超分子构型的精确控制存在巨大挑战。研究团队通过精准控制源漏极两电极间纳米间距来调节超分子沟道堆积构型的实验策略，实现了对超分子沟道量子干涉效应的原位调控，发展了超分子沟道场效应性能的原位调控方法。利用这一实验策略优化超分子沟道构型后，研究团队成功地实现了开关比大于1000、源-漏极关态漏电流低至30 pA，且沟道长度小于2 nm的超分子晶体管。该工作揭示了超分子沟道材料优异的场效应性能，展示了使用具有原子级精确结构的超分子结构作为2纳米以下分子晶体管材料的潜力。
该研究工作在我院洪文晶教授、兰州大学刘子桐教授和厦门大学材料学院白杰副教授共同指导下完成，博士后李晓慧（已出站）、硕士毕业生郑琰、博士后周彧为论文共同第一作者。该工作获得了国家自然科学基金（22250003、22002130、22003052、21722305）以及中国博士后基金（2020M671934、2020M682080）等的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c08615
图文来源：https://chem.xmu.edu.cn/info/1274/23084.htm