在分子尺度上的微小电子器件涉及许多具有挑战性的要求，包括原子精确的结构控制、可扩展性、灵活的电子结构和门可调性。然而，潜在的好处包括小型化(以及器件密度和速度的增加)，以及在超小型系统中由于交互作用产生的新模式的可能性。相关平台包括原子尺度缺陷、操作原子和分子系统。一个很有前途的平台利用了H-Si(100)表面的氢空位，并获得了令人印象深刻的精确原子结构。另一方面，有机分子基器件由于其灵活的化学合成，具有增强电子可调性和自组装特性的潜力。分子元素的行为已经在之前的金属断裂点、石墨烯 上的自组装层和扫描隧道显微镜(STM)可获得的门可调配置中被探索过。然而，对分子系统的结构控制到目前为止还不足以产生能够利用不同分子元素间相互作用效应的装置。

在最近，深圳大学和加州大学伯克利分校的的科研人员展示了在石墨烯场效应晶体管(F4TCNQ)表面原子精确的一维(一维)2,3,5,6-四氟- 7,7,8,8 -四氰喹二甲烷(F4TCNQ)分子阵列中，可以可逆地操纵异质电荷配置。在密集的、自组装的一维阵列中，相邻分子之间的强库仑相互作用产生了规则的、交替的电荷模式，通过扫描隧穿光谱(STS)可以观察到。通过使石墨烯器件的费米能量(EF)相对于阵列中最低未占据分子轨道(LUMOs)的能量，门电压的应用改变了分子阵列的电荷结构。电荷钉扎在分子阵列的两端，使整个阵列的电荷状态可以通过端基操作阵列边缘分子来控制。以这种方式改变的电荷模式以级联效应沿阵列传播，使阵列可以作为一个基于电荷的分子移位寄存器。这种行为与扩展有效Anderson模型的预测一致，从而允许对这种一维相互作用分子装置进行定量建模。

研究人员通过创建机械稳定的分子平台的策略，应用场在纳米尺度上操纵信息。这是通过使用分子模板创建紧密排列的一维分子阵列来完成的，这些一维分子阵列的空间电荷配置可以通过静电门控和基于探针的操作来调整。这种行为可以通过带有屏蔽库仑电势的多位点安德森杂质模型来理解，该模型预测电荷引起的偶/奇不对称效应，这种效应源于一维分子阵列末端的占用率。

研究人员利用这种偶/奇端态的不对称性，利用分子操纵建立了基于电荷的分子移位寄存器。论文中提到，“我们希望这种控制分子电荷模式的新技术除适用于石墨烯外，还适用于其他弱屏蔽半导体系统。尽管STM和STS测量允许我们了解我们的设备的操作原理, 用现有的读写设备将这些分子器件光栅化，还需要解决许多困难的挑战,如调整宏观分子阵列电极和创造分子结构有更大的温度稳定性。这些挑战的答案很可能就在有机合成的工具箱里，其中分子可以被设计成自我对齐，并与不同的功能化基质结合。我们期望这些概念可以推广到更复杂的化学工程分子网络，其中包括电荷驱动开关元件。”

参考文献：Tsai, H., Lischner, J., Omrani, A.A. et al. A molecular shift register made using tunable charge patterns in one-dimensional molecular arrays on graphene. Nat Electron 3, 598–603 (2020). https://doi.org/10.1038/s41928-020-00479-4。