晶体管是集成电路的基本单元之一，随着微纳电子技术的发展，晶体管尺寸不断缩小且正在接近其物理极限，因此寻求能够突破传统半导体技术极限的新型晶体管材料成为了该领域发展的重要突破方向。在潜在的晶体管材料中，单分子晶体管利用单个分子、超分子、团簇等作为导电沟道，以其微型化、低功耗和原子级控制等优势，为这一挑战提供了全新的解决思路。然而，目前单分子晶体管的性能，特别是开关比，仍然难以满足实际应用的需求。造成这一问题的重要原因在于室温条件下单分子晶体管中沟道材料的场效应性能较差。因此，研究新型单分子沟道材料以提升单分子晶体管的性能，是该领域亟待解决的关键问题。
针对上述问题，厦门大学化学化工学院洪文晶教授/材料学院白杰副教授团队和兰州大学化学化工学院刘子桐教授团队合作，创新性地提出使用π-π堆积超分子材料作为单分子晶体管的导电沟道。与其他超分子材料相比，单分子尺度的π-π堆积超分子材料具有构型依赖的量子干涉效应，这一特性为通过精确控制超分子构型，从而实现基于相消量子干涉效应的超分子晶体管的制备提供了可能。研究团队利用电化学门控-扫描隧穿裂结技术构建了基于噻吩-苯共聚寡聚物（TPCOs）超分子沟道的单分子电化学晶体管（图1a），并通过原位调控具有超分子堆积构型依赖的量子干涉效应，成功实现了开关比大于1000、源-漏极关态漏电流低至30 pA，且沟道长度小于2 nm的超分子晶体管。
图1. π-堆积 TPCOs超分子导电沟道的场效应性能研究。(a) 使用电化学门控-扫描隧穿裂结技术构筑单个超分子晶体管的示意图。(b) 分子结构和对应的分子结构型示意图。(c) S-TTT、STT和 S-T分子结在0.0 V电极电位和0.1 V 偏压下的一维电导直方图和电导曲线。（d-e）通过对图c中高低电导态的拉伸长度、闪烁噪声分析等认为低导态为单个π-堆积超分子结。(f)单个超分子结和对应单分子结在电极电位从-0.2到0.8 V下的场效应响应。
洪文晶教授团队通过与兰州大学刘子桐教授合作，设计合成了如图1b所示的系列TPCOs分子，其中具有单端硫甲基修饰的TPCOs分子可以通过π-π堆积分子间相互作用在源漏电极间构筑超分子导电沟道，具有双端硫甲基修饰的TPCOs分子可以直接通过金-硫键在源漏电极间构筑形成单分子导电沟道。通过采用电化学门控-扫描隧道显微镜裂结技术对TPCOs超分子导电沟道和对应单分子导电沟道场效应性能分析发现，超分子导电沟道开关比随着分子并噻吩个数的增加显著增加而对应单分子的开关比并无显著变化，其中S-TTT:TTT-S超分子晶体管的开关比是对应S-TTT-S单分子晶体管的70余倍（图1f），这主要是S-TTT超分子结构在优势构型下具有相消量子干涉效应引起的。
更重要的是，π-π堆积TPCOs超分子导电沟道电子输运过程中的量子干涉效应具有超分子构型依赖性（图2a），从而决定了超分子晶体管的场效应性能。然而，由于超分子结构的复杂性和动态性，实现精确的构型控制具有较高难度。因此，如何实现对超分子导电沟道的构型控制，是推动超分子晶体管向更高性能、更多功能方向发展的关键挑战。在此，研究者以电导作为反馈，控制源漏极电极的纳米间距实现了对TPCOs超分子导电沟道多种不同构型的精确控制，从而实现了对电子输运过程中不同量子干涉效应的原位调控。实验结果显示同一分子不同超分子构型的场效应性能表现出显著差异，揭示了超分子导电沟道构型依赖的晶体管行为（图2b-d）。对具有不同共轭结构的超分子和单分子晶体管的系统研究进一步证实了增大TPCOs共轭面积在提高晶体管开关比方面的重要性（图2e）。基于TPCOs超分子导电沟道材料，研究者实现了开关比高达1300、源-漏极关态漏电流低至30 pA，且沟道长度小于2 nm的超分子晶体管。与之前文献报道的基于共振隧穿、反共振隧穿和氧化还原机制的单分子晶体管相比，具有更高的开关比和门控效率。
综上，该工作制备了首个单分子尺度的超分子晶体管，并利用π-π堆积TPCOs超分子导电沟道电子传输过程中具有超分子构型依赖的量子干涉效应，通过调控超分子沟道构型，成功实现了开关比大于1000、源-漏极关态漏电流低至30 pA，且沟道长度小于2 nm的超分子晶体管。这项研究不仅为从纳米尺度下理解传统有机电子材料的场效应性能提供了新的视角，而且展示了使用具有原子级精确结构的超分子结构作为2纳米以下分子晶体管的通道材料的巨大潜力。
相关论文发表在Journal of the American Chemical Society 上。该研究工作在厦门大学化学化工学院洪文晶教授、兰州大学刘子桐教授和厦门大学材料学院白杰副教授共同指导下完成，厦门大学化学化工学院博士后（已出站）李晓慧、厦门大学化学化工学院2023届硕士毕业生郑琰、博士后周彧为论文共同第一作者。
论文：
Supramolecular Transistors with Quantum Interference Effect. Xiaohui Li, Yan Zheng, Yu Zhou, Zhiyu Zhu, Jiayi Wu, Wenhui Ge, Yuxuan Zhang, Yuqing Ye, Lichuan Chen, Jia Shi, Junyang Liu, Jie Bai,* Zitong Liu,* and Wenjing Hong*J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 21679–21686, DOI: 10.1021/jacs.3c08615
洪文晶教授介绍
洪文晶教授，国家杰出青年科学基金获得者，美国化学会Langmuir副主编，厦门大学化学化工学院/材料学院/人工智能研究院教授，化学化工学院副院长。主要从事单分子电子学、电子化学材料和面向新能源、新材料等的科学智能研究。洪文晶教授作为通讯作者和共同通讯作者发表论文百余篇，包括Nat. Mater. 3篇、Nat. Chem. 1篇、Nat. Catal. 1篇，以及J. Am. Chem. Soc. 15篇、Angew. Chem. Int. Ed. 17篇、Chem / Matter /Sci. Adv. / Nat. Commun. / PNAS 17篇等，论文总他引9000余次，在科学仪器和科学智能领域授权发明专利15项。
刘子桐教授介绍
刘子桐，萃英三级教授、博导，就职于兰州大学，功能有机分子化学国家重点实验室。2003年毕业于吉林大学化学基地班，获学士学位，2008年毕业于中国科学院化学研究所，获有机化学理学博士学位（导师：范青华 研究员）。2008年7月-2020年6月，在中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室从事研究工作（课题组长：张德清 研究员）。2020年6月至今，受聘兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室教授。刘子桐长期从事有机共轭分子材料的设计合成、组装调控，及单分子及聚集态电传输机制与性能研究，并将其应用于半导体集成器件中。截止目前，他在国际知名期刊发表论文130余篇，包括J. Am. Chem. Soc. 3篇、Angew. Chem. Int. Ed. 7篇、Adv. Mater. 5篇等，授权中国专利7项。刘子桐曾获中国科学院青年创新促进会优秀会员，现任Chin. Chem. Lett.编委，Nano Res.、Nao Res. Energy青年编委。
白杰副教授介绍
白杰，厦门大学材料学院副教授。2019年于厦门大学获得博士学位，同年获得博士后创新人才支持计划资助从事博士后研究，2022年11月获得厦门大学南强青年拔尖人才B类项目资助入职厦门大学材料学院。研究方向为单分子电化学与单分子晶体管器件，以第一作者和通讯作者身份（含共同）在Nat. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表学术论文10余篇，先后获得博士后面上基金与国家自然科学基金（青年基金）支持。
编辑：苑子恒 刘玉研
