近日，我院微纳电子材料与新型信息器件团队范志强教授与南开大学向东教授科研团队以及中国计量大学谭敏博士在国际顶级学术期刊《Angewandte Chemie International Edition》（中科院一区top期刊，IF=16.9）发表题为《Electro‐responsive Tri‐state Switch in Supramolecular Circuits》的研究论文。该研究工作在超分子电路中实现了仅由电场偏压精确控制的三态电导开关，其开关比高达1200倍，为设计具有可调导电性的分子电路提供了新的视角。中国计量大学谭敏博士为论文第一作者，我院范志强教授以及南开大学向东教授、陈立川教授为共同通讯作者，2025年新澳门原料网站为第二通讯单位。
⟡核心突破：电场“指挥棒”下的分子三重奏
本研究工作利用扫描隧道显微镜裂结 (STM-BJ) 技术，深入探究了对苯二胺 (PPD) 分子在纳米电极间的电荷传输行为。研究发现PPD分子的电导状态并非一成不变，而是随外加偏压的不断增加下稳定地呈现出三种清晰且稳定的状态(图1)——高电导态 (GH)、中电导态 (GM)、低电导态 (GL)，开关比 (GH/GL) 高达~1200。
图1. PPD分子在不同偏压下的电导测试结果。
⟡机制揭秘：电场如何“导演”分子堆叠？
为了进一步揭示电场诱导三态开关的微观机制，本研究工作结合密度泛函理论 (DFT) 与非平衡格林函数 (NEGF) 方法，系统计算了不同π-π堆叠构型下的电子输运特性与体系稳定性。结果表明，PPD三聚体中的PPT构型（平行-平行-垂直的π-π堆叠形式）在能量上最稳定，且其传输特性与实验观测PPD分子的低导态 (GL) 高度吻合 (图2a, b)。偶极矩计算表明，随着外加电场强度的增加，PPD分子偶极矩不断变大且其方向逐渐偏离预设电场方向 (图2c)，其偶极矩方向源于苯环的π电子系统与─NH2基团的极性共同作用。如图2d上图所示，外电场的施加显著改变了PPD分子的Mulliken电荷分布。特别地，─NH2锚定基团的取向发生明显重排，同时苯环上C原子电荷重新分布，从而使分子偶极方向偏离外加电场方向。此外，外加电场还显著影响了PPD分子的静电势 (ESP)。如图2d下图所示，在无电场时，ESP呈对称分布；而在施加电场后，分子正负电荷区域之间的势梯度明显增强，进一步强化了分子间的静电吸引。
图2. 不同π-π堆叠构型下PPD三聚体分子结的总能量与电子透射谱，以及外加电场作用下偶极矩、Mulliken电荷分布与静电势分布的理论计算。
⟡应用蓝图：超越二进制的分子信息处理
基于PPD分子在电场作用下表现出的可控二聚与三聚行为，该研究工作提出了一个由外加电场驱动的超分子电路三态开关的概念模型 (图3a-c)。其中，高电导态 (GH，PPD单体) 对应逻辑高电平“1”，中电导态 (GM，PPD二聚体) 表示逻辑低电平“0”，而低电导态 (GL，PPD三聚体) 则作为高阻抗状态“Z”输出。超分子电路中的三态开关可应用于可编程总线架构中，如图3d, e所示，EN信号 (E) 作为偏压 (V) 的全局控制方案：当EN=1（启用）时，会施加一个有效的偏压窗口 (V<V1或V1<V<V2)，以驱动三态开关进入开/关状态（逻辑“1”或“0”）。当EN=0（禁用）时，偏压超过V2 (V>V2)，使三态开关切换到高阻抗状态（Z）。只有当EN 信号处于激活状态时，逻辑电平才会输出。通过外部电场精确控制PPD分子的堆叠状态，可以在需要时选择性地激活或抑制总线上的单个单元。这种动态调节使总线能够在不同时间间隔内承载不同的信息流，从而实现多任务并行处理或复杂的逻辑运算，有助于提高下一代分子级信息处理的并行性和降低能耗。
图3. 电场驱动三态开关的工作原理及其在数字电路设计、通信（如总线结构、数据缓冲器）中的潜在应用。
该项工作得到了国家自然科学基金项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202511115
（图文/伍丹 一审/范志强 二审/刘斯 三审/张国强）
