近日，biwn必赢洪文晶教授课题组在单分子晶体管领域取得重要进展,相关研究成果以“Redox-mediated single-molecule transistor with a subthreshold swing down to 120 mV decade-1”为题发表于国际材料学科期刊Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202302985）。
单分子电子器件为集成电路的小型化提供了一种潜在解决方案，而单分子晶体管是分子集成电路的核心单元。亚阈值摆幅（subthreshold swing, SS）是衡量晶体管的栅极效率和器件功耗的关键指标，它代表了源漏电流改变一个数量级所需栅极电压的变化量。电化学栅极具有100%的调控效率，其双电层电场厚度可低至1 nm以下，在操纵单分子结的电子转移过程方面具有显著优势。
近年来研究者们主要聚焦于非法拉第区间期望获得低亚阈值摆幅。然而，非法拉第电位区间的研究仍面临着一些挑战。例如，转移特性曲线高度依赖于理论透射曲线，亚阈值摆幅的进一步降低受限于理论透射曲线的斜率。与非法拉第电位区间不同的是，法拉第电位区间的优势在于其转移特性曲线高度依赖于快速电子转移动力学，有望实现较低的亚阈值摆幅。然而，氧化还原介导的单分子晶体管开关比难以提升，目前还没有关于利用法拉第电位区间实现亚阈值摆幅突破的报道。
洪文晶教授课题组采用自主搭建的电化学门控扫描隧道显微镜裂结（EC-STM-BJ）装置制备了氧化还原介导的单分子电化学晶体管，在法拉第电位区间实现了目前单分子晶体管最低的亚阈值摆幅（SS=120 mV/decade）。在该工作中，研究者通过在卟啉结构中插入醌式结构，将氧化还原反应和量子干涉效应有效结合，制备的单分子晶体管在法拉第电位区间实现了100的开关比，关态漏电流小于10 pA, 沟道长度缩减至1.9 nm, 亚阈值摆幅低至120 mV/decade，这代表了单分子晶体管的最新研究进展。该工作进一步降低了单分子晶体管的亚阈值摆幅，从实验上揭示了单分子晶体管突破传统硅基晶体管亚阈值摆幅室温理论极限的可能性，为化学、电子、材料科学和集成电路工程领域中低功耗高性能有机电子器件的发展提供了实验指导和突破方向。
该工作在biwn必赢洪文晶教授、萨本栋微米纳米科学技术研究院杨扬教授和biwn必赢博士后陈力川博士共同指导下完成，biwn必赢硕士生李耀光与博士生徐伟为论文共同第一作者。biwn必赢师佳副教授、肖宗源副教授、工程师黄瑞芸、博士生高腾洋、博士后李晶和萨本栋微米纳米科学技术研究院硕士生邹玉玲共同参与了该工作。该工作得到了国家自然科学基金（22250003、T2222002、21973079、22032004）、国家重点研发计划项目（2017YFA0204902）、福建省自然科学基金（2021J06008）、中国博士后科学基金（2021M691871）等相关项目的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202302985
