双能态分子开关_使纳米系统适用于需要透过电势切换光源的光电应用

德国慕尼黑理工大学(Technical University of Munich;TUM)物理学家组成的研究团队开发出分子纳米开关，能够透过施加电压在两种不同结构的状态之间切换。该团队表示，这项研究发现可望作为开创性组件的基础，从而以整合且能直接寻址的有机分子取代硅组件。

TUM物理学系的纳米科学家Joachim Reichert表示：“仅用一个单分子进行切换，就可能让未来的电子组件朝微型化的极限向前迈进一步。”

该研究团队最初开发的方法是使用外加电压，让他们能与强光场中的分子形成精确的电接触。在大约1V的电位差下，分子改变其结构：使其变得平坦、导电且散射光线。这种强烈依赖分子结构的光学行为，激发了研究人员的创意，因为在这种情况下可以观察到散射活动——拉曼散射(Raman scattering)，同时透过外加电压的方式进行开启和关闭。

研究人员使用的是由瑞士巴塞尔(Basel)和德国卡尔斯鲁尔(Karlsruhe)的团队合成的分子。这种分子在充电时会以特定的方式改变其结构。它们排列在金属表面上，并采用具有极薄金属涂层为尖端的玻璃碎片角落进行接触。这使得电接触、光源和集光器整合于一。研究人员使用该碎片将雷射光直接照射在分子上，并测量随施加电压而变化的微小光谱信号。

可实现电切换的有机分子(来源：Yuxiang Gong/TUM/Journal of the American Chemical Society)

从技术角度来看，在各个分子之间建立可靠的电接触极具挑战性。科学家们如今已经成功地将这一过程与单分子光谱学结合起来，使其能以极高的精确度观察到分子中最小的结构变化。

分子开关的挑战

根据研究人员在《美国化学学会期刊》(Journal of the American Chemical Society)发表的文章，早期以分子开关数组建立运算的尝试，一部份受到限于“金属-分子-金属”接点直接化学特性化的挑战。尽管低温扫描探针研究提高了对于电流和电压诱导构形切换的机理了解，但“金属-分子-金属”构形大部份仍然是从间接证据推断而来的。

因此，开发强大的化学灵敏技巧有助于该领域的发展。在这项研究中，物理学家透过振动光谱探测了双能态分子开关的构形，同时透过外加电压进行操作。他们的研究着重于在室温下稳定单分子开关中测量单分子拉曼光谱，并显示其信号调变近乎两个数量级。

在国际合作团队的共同努力下，物理学家团队成功地将单分子作为光信号的开关组件;其微小的尺寸使纳米系统适用于需要透过电势切换光源的光电应用。