挑战

随着设备的不断缩小，其电子元件也必须小型化。使用有机分子作为导电通道的单分子器件有可能解决传统半导体面临的小型化和功能化挑战。这种设备提供了通过使用光进行外部控制的令人兴奋的可能性，但直到现在，研究人员还无法证明这一点。

“通过这项工作，我们开启了分子电子学的新维度，光可用于控制分子如何在两个金属电极之间的间隙内结合，”分子电子学的先驱和劳伦斯·古斯曼应用物理学教授Latha Venkataraman说。“这就像在纳米尺度上拨动开关，为设计更智能、更高效的电子元件开辟了各种可能性。”

方法

近二十年来，Venkataraman的团队一直在研究单分子器件的基本特性，在纳米尺度上探索物理、化学和工程学的相互作用。她的基本重点是构建单分子电路，即连接到两个电极的分子，具有不同的功能，其中电路结构以原子精度定义。

她的团队，以及那些用石墨烯（一种碳基二维材料）创造功能器件的人，已经知道在金属电极和碳系统之间建立良好的电接触是一项重大挑战。一种解决方案是使用有机金属分子，并设计将电引线与分子内的金属原子连接的方法。为了实现这一目标，他们决定探索使用有机金属含铁二茂铁分子，这些分子也被认为是纳米技术领域的微小组成部分。就像乐高积木可以堆叠在一起以创建复杂的结构一样，二茂铁分子可以用作构建超小型电子设备的构建块。该团队使用了一种由二茂铁基团终止的分子，该基团包含两个夹在铁原子中间的碳基环戊二烯基环。然后，当二茂铁处于氧化状态时（即当铁原子失去一个电子时），他们利用光利用二茂铁基分子的电化学特性在二茂铁铁中心和金（Au）电极之间形成直接键。在这种状态下，他们发现二茂铁可以与用于将分子连接到外部电路的金电极结合。从技术上讲，氧化二茂铁使Au0能够与Fe3+中心结合。

“通过利用光诱导的氧化，我们找到了一种在室温下操纵这些微小构建块的方法，为未来打开了一扇门，光可用于在分子水平上控制电子设备的行为，”该研究的主要作者Woojung Lee说，他是Venkararaman实验室的博士生。

潜在影响

Venkataraman的新方法将使她的团队能够扩展可用于制造单分子器件的分子终止（接触）化学成分的类型。这项研究还展示了通过使用光改变二茂铁的氧化态来打开和关闭这种接触的能力，展示了一种基于二茂铁的光开关单分子器件。光控设备可以为开发响应特定光波长的传感器和开关铺平道路，为各种技术提供更通用、更高效的组件。

团队

这项工作是一项涉及合成、测量和计算的协作工作。该合成主要由Michael Inkpen在哥伦比亚大学完成，他是Venkataraman小组的博士后，现在是南加州大学的助理教授。所有的测量都是由Venkataraman小组的研究生Woojung Lee完成的。计算由Venkataraman小组的研究生和德国雷根斯堡大学的合作者进行。

后续步骤

研究人员现在正在探索光控单分子器件的实际应用。这可能包括优化设备性能，研究它们在不同环境条件下的行为，以及改进金属-金属接口实现的附加功能。