縱觀過去的半個多世紀，信息工業的快速發展依賴于矽基電子器件的不斷微型集成。當7nm和5nm節點的芯片已經商用，3nm甚至1nm制程已經接近極限的情況下，摩爾定律似乎已經開始走向終點。因此，發展新機制、新材料和新器件已經成為半導體行業的下一個轉折點。其中，利用單個分子構建電子電路元器件得到了廣泛的關注，是電子器件微小化發展的終極目标。首先，單分子器件可以使得器件的導電溝道真正達到1nm左右水平，有望實現器件集成度的最大化。其次，引入功能性單分子去構建多功能的單分子器件也是未來半導體行業的重要發展趨勢之一。在單分子器件的平台上引入栅極實現單分子場效應晶體管，關鍵的巨大挑戰是如何克服長期存在的短溝道效應，如何在單分子水平上實現栅極對分子軌道能級的有效調控，從而實現高的開關比。近日，beat365官方网站郭雪峰課題組聯合中國科學院物理研究所孟勝課題組、加拿大麥吉爾大學郭鴻課題組和法國雷恩大學Stéphane Rigaut課題組，首次在石墨烯基單分子器件的基礎上構建了超薄高k的介電層，實現了栅壓對單分子器件電導的有效調控，成功研制了CMOS兼容的高性能單分子場效應晶體管（圖1）。

圖1. 單分子場效應晶體管的結構示意圖

在前期工作中，郭雪峰課題組已經在單分子器件平台的基礎上引入新型離子液體栅，研究了單分子對栅壓的響應規律,構建了具有多種功能的單分子器件（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 14026; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 20811; Sci. Adv. 2022, in press）。此次他們開發了新的技術平台，在石墨烯基單分子器件的基礎上首次引入了CMOS兼容的固态栅，結構上更接近傳統的場效應晶體管。如圖1所示，他們先沉積金屬鋁作為固态栅的栅極材料。金屬鋁表面自然氧化的氧化鋁以及用溶膠凝膠法制備的氧化铪共同組成了超薄的介電層，總厚度約為10nm，一定程度上克服了短溝道效應。同時，氧化鋁與氧化铪的組成避免了後續的工藝對介電層的破壞，抑制了栅極的漏電現象，在單分子水平上提高了場效應晶體管的性能。

6年前，他們利用二芳烯分子實現了在單分子器件平台上監測光緻異構引起的開關效應（Science 2016, 352, 1443）。在持續的可見光和紫外光的交替照射下，分子呈現了高低電導的交替變換。電導的變化反映出分子在不同波長的光照條件下發生了結構的變化。在此次研究中，他們與合作者設計合成了具備二芳烯光緻異構官能團的钌配位化合物（Ru-DAE），其中二芳烯單元在不同波長的光照條件下也可以實現開環與關環的轉換。他們将此分子引入固态栅的單分子器件，不僅重現了可逆的開關環反應，驗證了單分子開關效應的可靠性，同時還發現，二芳烯開關環的兩種狀态在栅極電壓下的電學性質存在明顯差異。因此，引入二芳烯官能團，可以揭示栅壓對同一分子的不同結構導電性的調控能力和機制，同時在同一器件上實現了光調控與栅調控兩種手段。

如圖2所示，二芳烯在開環狀态下（Ru-oDAE），分子處于弱共轭狀态。零栅壓下，導電性能差，實現了對關态電流的有效控制。由于HOMO的位置靠近石墨烯費米能級，在小的栅壓下，分子的HOMO軌道進入導電窗口，分子的電導迅速增加。與零栅壓時的電導相比，開關比可高達104。 而在關環狀态下，分子處于高共轭狀态。零栅壓時分子的電導就已經比較高，所以栅壓下分子電導的變化與開環狀态相比偏小，導緻開關比下降。該工作首次在石墨烯基單分子平台引入了超薄高k的固态栅，并且通過具有光響應的二芳烯官能團，研究了在同一器件上栅壓對不同分子結構的調控能力，為進一步設計功能化的分子器件提供了嶄新的思路和理論指導。

圖 2. a.二芳烯分子開環(RU-oDAE)與關環（RU-cDAE）狀态下的透射譜; b. 不同栅壓下開環分子的ID-VD 特性曲線; c. 栅壓下分子軌道能級的變化。

該研究成果以“Dual-Gated Single-Molecule Field-Effect Transistors beyond Moore’s Law”為題于3月17号發表在Nature Communications上。beat365beat365郭雪峰教授、中國科學院物理研究所的孟勝研究員、加拿大麥吉爾大學郭鴻教授和雷恩大學Stéphane Rigaut教授為該工作的共同通訊作者，文章的共同第一作者分别是在beat365官方网站合作培養的中科院物理所博士生孟利楠、郭雪峰課題組博士生辛娜、在beat365beat365合作培養的南開大學博士生張苗、郭鴻課題組博士生胡晨和Stéphane Rigaut課題組博士生Hassan Al Sabea。該工作得到了來自科技部、國家自然科學基金委、北京市科委和beat365等基金的支持。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28999-x