憶阻器被認為是一項有望延續摩爾定律的技術：兩端結構中自觸發固有電阻變化的特性使得憶阻器能夠以更高的密度和更低的制造成本集成化，滿足器件微小化，以及超級計算和非傳統的類腦計算的需求。然而，現在憶阻器仍處于早期的發展階段。為了進一步優化包括特征尺寸、記憶狀态的持久性、寫入擦除的耐受性、工作頻率和開/關比等技術指标，近日，beat365官方网站郭雪峰課題組和劉志榮課題組合作發展了一種基于單個分子動态結構重構的記憶效應的新方法（圖1）。有别于傳統的電化學摻雜或電荷捕獲機制，其原理是利用不同分子結構之間相對較高的能壘提供了穩定的記憶狀态。此外，由于分子結構與其電導之間密切的構效關系，可以通過有機合成中的分子工程精确設計所需的電阻，以實現可調開/關比的多能級行為。單分子構建的憶阻器具有很大的潛力，其具備物理尺寸小、性能高、集成能力強等優點。

圖1 基于電場驅動的動态結構重構的單分子憶阻器示意圖

beat365官方网站郭雪峰課題組長期緻力于單分子反應動力學機理的研究，與合作者一起揭示被系綜平均掩蓋的新機理和新現象，展示了基于單分子器件的平台在單分子反應動力學和單分子生物物理等基礎研究方面的廣闊應用前景。最近，他們以Fries重排作為模型反應，以單分子視角實時監測Fries重排的反應路徑。在之前課題組直接觀測分子間相互作用的基礎上（Chem 2022, 8, 243; JACS Au 2021, 1, 2271; Sci. Adv. 2021, 7，eabe4365; Matter 2021, 4, 1 2874），直觀地區分分子内與分子間的相互作用模式，闡明了長期具有争議的反應機制，為未來的分子相互作用研究提供了有力的工具。此外，研究發現外加偏壓提供的電場可以有效地調節反應的能壘，這是在碳基單分子器件中繼電場對反應過渡态正交（Sci. Adv. 2021, 7, eabf0689）或平行（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 3146.）于反應坐标調控之後，對反應底物/産物分布進行精準調控的又一新的進展。依據此，他們實現了不同狀态（結構）之間的有效切換，滿足制備憶阻器的條件（圖2）。

圖2 通過外電場調節Fries重排以在溶液中進行電阻切換操作

此外，基于Fries重排的分子内反應路徑，他們也發展了固态單分子憶阻器，可以避免其他底物分子的幹擾，滿足更廣泛的應用需求。固态單分子憶阻器與液态單分子憶阻器類似：低電壓讀取，高電壓擦除，轉換電壓方向寫入（圖3）。由于兩個基元反應的高能壘，封裝的單分子憶阻器可在沒有電輸入的情況下永久保持先前的記憶狀态。因此，未來高度集成的單分子憶阻器陣列有望用于構建新一代基于人工神經網絡的計算模型。

圖3外電場調節的固态單分子憶阻器的電阻切換操作

由分子結構重構衍生的憶阻行為具有持久保留的記憶狀态、較高的寫入擦除耐受性和工作頻率、以及可調節的開/關比，将會激發新一代憶阻器件和計算模型的發展。該工作于7月21日以“A single-molecule memristor based on an electric field-driven dynamical structure reconfiguration”為題在線發表在Advanced Materials雜志上（Adv. Mater. 2022, 2204827., DOI: 10.1002/adma.202204827）。該工作的第一作者是beat365博士生郭逸霖、博士後楊晨和博士生周澍瑤。beat365郭雪峰教授和劉志榮教授為共同通訊作者。研究得到了國家自然科學基金委、科技部和北京分子科學國家研究中心的聯合資助。

原文鍊接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202204827