場效應晶體管是構建電子電路的基本單元器件，其基礎原理為使用第三端栅電極來調控源漏兩端電極之間的電流。通過外加電場調控單個分子中的電荷傳輸可以實現單分子場效應功能，這即符合電子器件微小化發展趨勢，也為單分子尺度的基礎研究提供了很多契機。然而，如何在單分子水平上構建高效可靠的場效應晶體管器件一直存在巨大的挑戰。最近，beat365官方网站郭雪峰課題組和合作者開發了國際上第一種基于離子液體栅和石墨烯基單分子器件平台的單分子場效應器件，實現了單分子電荷輸運的高效控制。

基于離子液體栅的石墨烯基單分子場效應晶體管器件效果圖

近年來，beat365官方网站郭雪峰課題組與合作者基于其實驗室前期開發的石墨烯基單分子器件平台（Acc. Chem. Res. 2015, 48, 2565; RSC Advances 2018, 8, 6814）研制了單分子光開關等功能器件（Science 2016, 352, 1443; J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 2849），探索了單分子尺度的立體電子效應（Nano Lett. 2017, 17, 856）和化學反應動力學的本征規律（Science Advances 2016, 2, e1601113；Small Methods, 2017, 1700071; Science Advances 2018, 4, eaar2177；Nature Commun. 2018, 9, 807; Nano Lett. 2018, 18, 4156）。應邀撰寫了兩篇系統性的權威綜述（Chem. Rev. 2016, 116, 4318；Chem 2017, 3, 373），掀起了單分子電子學領域的複興和研究熱潮。

最近，他們在課題組已有的石墨烯基單分子異質結的基礎上首次引入離子液體栅極，通過施加栅壓形成有效的雙電層靜電場，以此構建出石墨烯基單分子場效應晶體管。具體從電化學窗口以及正負栅壓下雙電層的對稱性等方面考慮，他們篩選了一種陰陽離子尺寸匹配的離子液體（DEME-TFSI）；這種離子液體栅的雙電層厚度約為0.75 nm，能夠在較小的栅壓範圍内産生強的靜電場，從而有效地調控分子的能級。由于離子液體的凝固點較低 (~180 K)，可以實現較大溫度範圍内連續的栅壓調控。這種器件結構克服了長期困擾該領域的短溝道效應，為構建高性能的單分子場效應晶體管和研究與分子軌道能級相關的量子輸運效應提供了可靠平台。

器件結構和工作原理示意圖

在功能分子方面，他們與中國科學技術大學的楊金龍教授課題組合作設計合成了系列聯苯分子結構，通過改變苯環的數目調控分子的長度，研究分子長度對單分子場效應晶體管性能的影響規律。發現對于三聯苯和六聯苯分子體系，随栅壓從負值變到正值，器件的電導特性表現為先減小後增大。因此在非氧化還原活性分子體系，首次實現了雙極性單分子場效應功能。結合理論，計算了不同栅壓下分子器件的透射譜。結果表明，在三聯苯和六聯苯分子體系中，随栅壓值從負到正的變化，分子軌道能級相對于石墨烯費米能級逐漸下移，先是HOMO軌道主導器件的導電性；當LUMO軌道比HOMO軌道更靠近石墨烯電極的費米能級後，LUMO則取代HOMO成為器件導電性的主要貢獻軌道，表明通過栅壓調控實現了載流子由空穴到電子的轉變。

分子軌道LUMO和HOMO的偏壓依賴性示意圖

該研究成果以“Tuning Charge Transport in Aromatic–Ring Single–Molecule Junctions via Ionic Liquid Gating”為題于2018年9月14日在線發表在《德國應用化學》上（Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201807465）。郭雪峰教授和中國科學技術大學楊金龍教授為該工作的共同通訊作者，文章的并列第一作者為辛娜博士、李星星博士和賈傳成博士。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等項目的支持。