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首頁 > 行業資訊 > 科技動態中國人民大學物理學系及合作團隊發現世界上首個單分子駐極體 近日，中國人民大學物理學系季威教授、王聰博士與南京大學宋鳳麒教授、廈門大學謝素原教授、倫斯勒理工學院史夙飛教授、耶魯大學Mark A. Reed教授等研究團隊合作，通過理論計算和實驗測量發現了世界上首個單分子駐極體（electret）——Gd@C82，在駐極體被人類合成100年后將其物理尺寸壓縮到極致的單分子水平（~1 nm，十億分之一米），這是目前人類所知最小的駐極體。該分子中的Gd（釓，一種稀土元素）原子可以被人為控制地在兩個不同位置間移動而用于信息編碼，為未來存儲器小型化提供了一種新方案，也展現出作為一個新興研究方向的巨大潛力。相關研究工作以A Gd@C82 single-molecule electret”（一個碳82籠中釓原子的單分子駐極體）為題發表在10月12日出版的《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）上。
磁性是在日常生活中常見的現象，早在5000年前人們就認識了磁現象。天然鐵礦石大抵是人類最早發現的永磁體，《鬼谷子·謀篇第十》就記載了2000多年的戰國時期利用天然永磁體制作司南的例子。在不對其進行任何操作的情況下，永磁體（permanent magnet）磁矩方向可以長期保持不變。硬盤磁片就是一種永磁體，記錄信息則是在其微、納米級的磁疇上對磁矩進行操作實現的。而在不進行寫操作時，它的每個磁疇的磁矩方向不會發生變化，保證了其保存資料的可靠性。磁盤的信息存儲密度已經從最初的2000 比特每平方英寸提到到了13億比特每平方英寸以上。隨著信息存儲需求的暴漲，人們為提高信息存儲密度、縮小磁疇尺寸提出了需求，而單分子磁體（single-molecule magnet）把磁性信號記錄單元的尺寸縮小到極致的單個分子層次，也就是磁疇小型化的終極方案。
第一個分子磁體是在上世紀80年代被合成的Mn-12絡合物，通常認為直到1993年Novak等人才首次證實該絡合物是一種特征溫度不高于4 K （約-269℃）且可以用于信息存儲的單分子磁體 [Nature 365, 141-143 (1993)]。2018年Layfield等人則首次將單分子磁體的特征溫度提高到80K（約-193℃），達到了液氮溫度（78K）以上(Science2018,DOI: 10.1126/science.aav0652)。
駐極體（electret）是一類可以與永磁體相類比的材料，可以看作是靜電版的永磁體，也可以用于信息存儲，還用在靜電耳機和麥克風等多個方面。駐極體擁有不加外場時可以長期保持的電極化特性，其極化形式與永磁體中的電子自旋極化導致的磁性不同。駐極體特征早在1732年就被Gray發現了，1839年Faraday（法拉第）從理論上總結了這一特征，而在1892年Heaviside首次將electric和magnet兩詞組合成了electr-et（electret），明確提出了駐極體的概念。1919年日本物理學家Eguchi首次合成了駐極體材料，引領了駐極體的研究熱潮。
盡管駐極體材料已經研究了100余年，且單分子水平的單分子磁體也研究了近30年，單分子駐極體的研究卻顯得嚴重滯后了。2018年Nishihara等人首次在K12[Tb3+@P5W30O110]([Tb3+@P5W30])單分子駐極體的粉末樣品中觀察到了電極化回滯現象（Angew. Chem. Int. Ed., 57, 13429-13432）。
然而，這一回滯現象是眾多分子相互耦合的結果還是單個分子自身的表現，一時莫衷一是。2020年，物理學系及合作團隊則首次在Gd@C82單分子器件中發現了單分子駐極體特征，并展示了其信息存儲能力，將駐極體的尺寸極限縮小到了1 nm尺度。
具體地，他們在1.6 K（約-271.6 ℃）的低溫下，利用電致遷移納米間隙法，在一條約50 nm寬的金屬導線上制造出了一道1 nm左右的間隙，并成功構造了幾個Gd@C82單分子器件（如圖1a所示），隨后固定一個非常接近于零（2 mV）的源-漏電壓值，通過改變柵極電壓Vg，記錄不同柵極電壓值時的源流電流Ids，便會得到兩套譜線，對應兩種器件狀態（state 1和state 2）。如圖1b所示，這兩種狀態可以通過改變柵壓相互切換，在同一個單分子器件中，表現出了兩套截然不同的輸運特性。
 這兩種狀態大概率對應兩種分子構型，但這種構型變化卻很難通過觀測手段直接顯示出來，第一性原理計算便體現出其特有的優勢。計算發現，Gd@C82分子中Gd原子處在C82籠上的兩個相鄰的最穩定吸附位點上，其能量相差 ~ 6 meV（如圖2a）�？梢钥吹�，Gd@C82分子的正負電荷中心并不重合，即分子存在電偶極矩。Gd原子在兩個穩定吸附位點間移動，可改變分子的電偶極矩方向，從而可以利用外加電場調控兩個吸附位點的相對穩定性。計算表明只要克服~11 meV的轉換勢壘，即可實現電場控制下Gd原子在兩個位點間移動（如圖2）。這本質上就等于實現了在單個分子水平上電偶極矩的可控翻轉，即該器件是一種以單分子駐極體(Gd@C82)方式運轉的單原子(Gd)信息存儲器。
 該工作是首次在單分子水平上證明了單分子駐極體的存在，并實現了存儲操作，也是當前所知最小的駐極體。該單分子電偶極矩的可控翻轉，實際是內嵌原子的位置移動，即該器件是一種以單分子電偶極矩翻轉模式運行的單原子存儲器。正如下圖所示的那樣，兩個不同的原子位置可以用來編碼信息，為未來存儲器件小型化提供一種方案，展現出作為一個新興研究方向的潛力。
 該研究成果于10月12日以“A Gd@C82 single-molecule electret”為題發表在《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）上，物理學系博士后王聰博士（2019年吳玉章獎學金獲得者）和南京大學博士生張康康、白占斌及張敏昊博士為論文的共同第一作者。物理學系季威教授和南京大學宋鳳麒教授、廈門大學謝素原教授、倫斯勒理工學院史夙飛教授、耶魯大學Mark A. Reed教授為論文的共同通訊作者。該工作的理論計算部分由人民大學完成，實驗部分由合作單位完成。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、中國科學院戰略重點研究項目、中央高�；究蒲袠I務費等項目的資助。
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2020/10/23最新價格市場評述
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