相比于傳統的電子芯片，光電芯片具有更高的傳輸速度和帶寬。其中光信号可以以光速傳輸，使其在高速通信和數據傳輸領域具有巨大的優勢，是拓展摩爾定律的有效策略。以單個分子作為光電功能中心有望滿足人們對器件微小化日益增長的需求，是未來分子光電子器件的基石。迄今為止，單個分子在器件性能和穩定性方面還有待提升，包括場效應晶體管的開關比，發光二極管的量子産率，以及邏輯器件的操作頻率。其中，分子與外界的耦合是一個關鍵參數，強耦合可能會導緻分子與外界的雜化，而弱耦合會削弱外部刺激的調制作用，這亟待分子工程、界面工程和電極工程的進一步發展。近日，beat365官方网站郭雪峰課題組與東京大學Jun Terao課題組将分子橋絕緣保護後以共價鍵錨定于石墨烯電極之間，實現了磷光/熒光的高量子産率輻射，并成功應用于邏輯運算與實時通訊（圖1）。

　　圖1. 單分子光電芯片的示意圖

　　beat365官方网站郭雪峰課題組長期緻力于多功能單分子器件的研究，旨在解決當今社會對電子器件微小化日益增長的需求與摩爾定律失效之間的矛盾。通過分子工程學原理，以延續(More Moore)并超越(More than Moore)摩爾定律為科學目标，在分子尺度上構築多功能分子器件。該課題組前期通過引入離子液體栅、固态栅實現了高效單分子場效應晶體管(Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57, 14026;Nat. Commun.2022, 13, 1410; Sci. Adv. 2022, 8, eabm3541)；通過光敏分子實現光、電開關(Science2016, 352, 1443; Nat. Commun.2019, 10, 1450)；通過引入分子對稱性破缺實現單分子整流器(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 20811)；通過結構動态重構構築單分子憶阻器(Adv. Mater.2022, 2204827)；通過共價鍵錨定熒光分子構築單分子發光二極管(Adv. Mater. 2023, 2209750)等，展示了基于單分子器件在芯片極小化、多功能化方面廣闊的應用前景。

　　近期，他們報道了另一種多功能單分子光電器件，由Pt-MB@CD（環糊精封裝鉑中心）分子橋、納米間隙的石墨烯電極和矽基底組成。兩側的兩個環糊精削弱了分子與環境的耦合，從而避免了相應的非輻射過程。石墨烯電極能夠與分子形成牢固的共價界面，并進一步實現多分子集成（圖2）。

　　圖2單分子光電器件結構示意圖

　　在光電聯用表征單分子光物理的基礎上，通過多模式電輸入可觀察到可調諧的單線态和三線态激發态（圖2），利用單分子瞬态電緻發光光譜監測到遠高于宏觀尺度的磷光壽命（圖3）。其主要原因是分子運動、振動和旋轉模式受到了限制，抑制了激發态能量的耗散。此外，隻有一個分子錨定與器件，從根本上避免了三重态-三重态湮滅。

　　圖3用于測量磷光壽命的單分子瞬态電緻發光光譜

　　熒光和磷光的進一步調節以及選擇性發射可以實現全面的二進制和三進制邏輯運算以及實時通信（圖4）。多功能、高效的單分子光電器件将分子電子學與實際半導體應用聯系起來，展示了單分子光電子器件的優勢，為打破技術壁壘、發展新原理器件提供技術支撐，是單分子器件從實驗室邁向工業生産的重要一步。

　　圖4使用單分子Pt-MB@CD器件進行二進制邏輯運算

　　該工作于1月25日以“Logic operation and real-time communicationvia tunable excited states in a single-moleculeoptoelectronic chip”為題在線發表在Chem雜志上（Chem.2024, doi: 10.1016/j.chempr.2024.01.005）。該工作的第一作者是beat365官方网站博士後楊晨和郭逸霖。beat365官方网站郭雪峰教授和東京大學Jun Terao教授為共同通訊作者。北京師範大學蘇紅梅和節家龍教授也為該研究提供了實驗幫助。該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。

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審核：李玲、彭海琳