利用单个分子构建电子器件有希望突破目前半导体器件微小化发展中的瓶颈，其中实现可控的单分子电子开关功能是验证分子能否作为核心组件应用到电子器件中的关键步骤。 

　　最近，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组和美国宾夕法尼亚大学Abraham Nitzan教授课题组、北京大学信息科学技术学院徐洪起教授课题组及其他合作者通力合作，利用二芳烯分子为功能中心、石墨烯为电极成功实现了可逆单分子光电子开关器件的构建。这一研究成果于6月17日以“Covalently bonded single-molecule junctions with stable and reversible photoswitched conductivity”为题发表在《科学》期刊上（Science, 2016, 17, 1443-1445, DOI: 10.1126/science.aaf6298），并申请了发明专利。Science同期的“Perspective” Article以“Designing a robust single-molecule switch: A single-molecule switch works at room temperature”为题对此工作发表了评述（Science, 2016, 17, 1394）。 

　　石墨烯–二芳烯单分子器件的示意图，图来源：Science 

　　郭雪峰课题组围绕着单分子光电子开关构建这个难题，开展了长期的攻关研究。在2007年他们就利用碳纳米管电极和两种二芳烯分子构建出了具有从开到关单向开关功能的单分子光开关器件（J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 12590）；在2013年利用课题组新开发的石墨烯基单分子器件平台（Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 12228; Acc. Chem. Res., 2015, 48, 2565）；进一步利用三种改进的二芳烯分子构建单分子光开关器件，但也只实现了从关态到开态的单向光开关功能（Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 8666）。理论分析发现前期这些体系中分子和电极间有着强的耦合，其导致分子激发态的能量淬灭将功能分子锁在了关态。他们总结相关领域的研究进展，也发现有效调控分子和电极界面耦合将是在器件中实现分子功能的关键（Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 5642）。 

　　基于这些前期积累，通过理论模拟预测和分子工程设计，研究人员在二芳烯功能中心和石墨烯电极之间进一步引入关键性的亚甲基基团，实验和理论研究结果一致表明，新体系实现了分子和电极间优化的界面耦合作用，突破性地构建了一类全可逆的光诱导和电场诱导的双模式单分子光电子器件。作者表示，该器件精确性水平超高（开/关比接近100），可重复性优异（46个器件均可实现光开关100多次循环以及随机开关10万至100万次循环），可稳定工作超过一年。 

　　石墨烯电极和二芳烯分子稳定的碳骨架以及牢固的分子/电极间共价键链接方式使这些单分子开关器件具有空前的开关精度、稳定性和可重现性，在未来高度集成的信息处理器、分子计算机和精准分子诊断技术等方面具有很大的应用前景。