单分子器件的实现在许多研究中得到了可靠的验证，例如存储器、二极管、场效应晶体管及开关等。场效应晶体管的构筑和开关的小型化是电子器件微型化和性能提高的关键之一。因此，寻找多功能单分子器件对于进一步减少器件尺寸、提高纳米电子电路的集成度和功能至关重要。具有实际应用价值的单分子场效应管应具有室温稳定性和高性能的优点，即栅极调节能力强、器件开关比高和功耗低；对于开关来说，易操作性、可控性和室温稳定性是基本特征和要求。

最近，先进功能材料制备与表征团队负责人王荣明教授与合作者制备了基于卟啉的单分子器件，实现了高性能的卟啉单分子场效应以及电学开关功能，并在单分子尺度研究了卟啉内部氢的迁移机理。

图  基于卟啉单分子结的多功能器件

不同于传统场效应晶体管的工作原理，单分子场效应晶体管通过栅电压调控分子轨道来控制分子结中的电流。研究证明，基于离子液体栅的卟啉单分子场效应晶体管三端器件在室温下展现出了优异的场效应性能：输出曲线和转移曲线均表现出了明显的栅响应性质，开关比可达4800；具有稳定、可重复的双极调控性能，展现出较强的栅调控能力。在两端器件中利用卟啉分子结实现了双稳态和四稳态的电学开关。在100 K至140 K下，在分子结的伏安特性曲线的较高偏压位置，发现了相互转化的四个电导态。

该研究工作于2022年3月23日以“Single-Molecule Field Effect and Conductance Switching Driven by Electric Field and Proton Transfer”为题，发表于Science Advances上（Sci. Adv., 8, eabm3541 (2022)）。