偶氮苯分子作為典型的光緻變色分子，在紫外和可見光的照射下，可實現順式與反式結構之間的相互轉化。在單分子水平研究偶氮苯分子的異構化，不僅能實時觀測單個異構化事件的動力學過程，揭示其對外界刺激響應的規律，同時也有望實現單分子水平的開關、存儲器等，從而實現器件微型化/功能化的目的。近幾年，在掃描隧道顯微鏡中觀察到了電場誘導偶氮苯分子異構化的現象，但是其異構化的機理尚不明确。近日，beat365官方网站郭雪峰課題組、中國科學院物理研究所孟勝課題組和加拿大麥吉爾大學郭鴻課題組合作在石墨烯基單分子器件的基礎上發現了電場能有效調控偶氮苯分子結構的現象（圖1a），結合理論揭示了偶氮苯分子雙模式異構化的内在物理機制。

圖1：a，偶氮苯單分子器件的結構示意圖；b，偶氮苯順反結構的偶極矩變化

他們與合作者設計合成了以三聯苯為主鍊，偶氮苯為側鍊的分子，并在末端修飾上氨基，通過酰胺鍵将分子連接在石墨烯電極之間。該分子的反式與順式兩種不同的構象不僅在分子結構上有較大的差異，而且其偶極矩在沿主鍊方向上也有很大的不同（圖1b）。利用單分子器件平台，他們通過電學手段系統研究了偶氮苯分子對偏壓以及光照的響應規律。分子結構的變化會影響分子的軌道能級，進而在電學測試中通過電導的變化表現出來。

實驗發現，偶氮苯分子在某一方向的電場下，會發生由反式到順式的構象變化，即電場會誘導偶氮苯分子異構化（圖2）。結合理論計算，他們發現由于反式與順式結構下偶氮苯分子沿主鍊方向的偶極矩不同，因此電場對分子能量的調控能力有差異。在某一個電場方向下，随着電場場強的增加，偶氮苯分子順式結構與反式結構的能量差逐漸減小，繼續增加電場強度，順式結構的能量就會低于反式結構的能量，順式結構更加穩定。而在相反的電場方向下，順式結構與反式結構的能量差随着電場強度逐漸增大，反式結構始終是最穩定的結構。與此同時，在低偏壓條件下他們還實現了在不同波長的光照下偶氮苯分子在反式與順式結構之間的可逆調控（圖3）。該工作結合實驗和理論成功地構建了一類全可逆的光誘導和電場誘導的雙模式單分子光電子器件，并首次提出了通過“側基化學門控”方法實現單分子導電性實時調控的新手段。石墨烯電極和偶氮苯分子間牢固的共價鍵鍊接方式使得這些單分子開關器件具有良好的穩定性和可重現性，在未來高度集成的信息處理器、分子計算機和精準分子診斷技術等方面具有巨大的應用前景。

圖2. 電場誘導的偶氮苯分子異構化

圖3. 光誘導的偶氮苯分子異構化

該研究成果以“Side-group chemical gating via reversible optical and electric control in a single molecule transistor”為題發表于2019年3月29日在線發表在Nature Communications上（Nature Communications 2019, 10, 1450）。beat365郭雪峰教授、中國科學院物理研究所的孟勝研究員和加拿大麥吉爾大學郭鴻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孟勝課題組的孟利楠、郭雪峰課題組的辛娜和郭鴻課題組的胡晨。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。感謝武漢大學汪成教授和中國科學院物理研究所的張廣宇研究員在實驗過程中的大力幫助。

鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09120-1