近日，我院教师姚欣蕾博士期间基于单分子忆阻器的相关研究工作以“Two-State, Nonvolatile Memristors and Light-Assisted Logic-In Operation from Diarylethene-Based Single-Molecule Junctions”为题发表于Journal of the American Chemical Society，并被选为期刊封面。巴黎西岱大学为该文第一署名单位，我院教师姚欣蕾为该文第一作者。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c06991
过去十年间，全球对数据存储与处理的需求呈指数级增长，具备逻辑运算能力的存内计算技术因此广受关注，并已被广泛应用于数据和机器代码的存储。非易失性忆阻器（Nonvolatile Memristors）凭借其导电/磁滞回线开关特性，以及在刺激撤除后无自发信号衰减的特点，成为多种数据存储与高性能计算设备的基础元件。目前主流的解决方案：如磁性、铁电和相变随机存取存储器（RAM），虽具备相对较高的速度和较低的成本，但在将器件尺寸微缩至纳米级或显著提升整体计算效率方面仍存在局限。为开发微型分子器件，研究人员提出了非易失性“分子忆阻器”的概念。这类器件的核心是电学性质可切换的单分子（结），在光照、pH值变化、离子键合等外部因素作用下，或在特定的自旋或电极操控下，能够发生导电状态切换,具有分子开关和逻辑存储功能。得益于单位面积功能的显著提升，一旦将这些分子（结）集成至纳米级芯片，便能实现海量的数据存储与处理能力。然而，要成功制造非易失性分子忆阻器，仍需攻克几大关键挑战：分子须具备可独立调控的“0”和“1”能态；“0”与“1”作为两个截然不同的稳定状态，其相互转换存在足够高的能量势垒，以杜绝自发、随机的状态跳变；分子必须与电极的接触足够稳定，能耐受如光照、强电场等外部刺激。
为了克服这些挑战，该研究采用扫描隧道显微镜断裂结（STM-BJ）技术，成功制备了具有两种不同分子桥长度（n=1,2）的二芳基乙烯（DAE）基单分子结：Au-[DAE]n-Pt SMJs。其中，光致变色分子二芳基乙烯作为核心功能单元，利用电化学重氮还原技术使其近似垂直取向以共价键固定于金底电极和铂顶电极之间，形成稳定性极高的单分子结。在紫外或可见光照射下，Au-[DAE]2-Pt SMJ呈现出光控电导开关效应：在高电导（HC）和低电导（LC）两个显著不同的状态值之间切换。当施加电场刺激（阈值电压绝对值介于|2.5 V|与|3 V|之间），器件以较高产率（60%）反复观测到具有HC/LC状态的滞回环路，揭示了其内在的忆阻效应。通过连续执行“读取、写入和擦除”操作，器件在“0”（LC）态与“1”（HC）态之间稳定切换并保持状态，从而成功实现非易失性忆阻器功能。鉴于光与电场刺激可作为两个有效的输入信号，而输出的HC或LC电导值代表结果，Au-[DAE]2-Pt SMJ忆阻器在操作中展现了异或（XOR）逻辑功能。该研究证实，利用双稳态分子开关（二芳基乙烯衍生物）构建的单分子结，不仅能在单分子尺度实现非易失性逻辑运算，更为开发下一代超小型分子存储器件奠定了关键基础。
