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分子器件中，分子和电极界面处的电荷和能量传递的有效调控是实现分子器件功能化的关键，单分子器件尤为如此，故而从单分子角度对该界面进行设计有着极为重要的科学价值和研究意义。本论文围绕“分子器件中界面调控继而使之功能化实现”这一基本科学问题，提出通过对光响应分子和石墨烯电极之间的界面进行有效的设计，实现具有光电功能的单分子电子器件的构建，并对其中的量子输运规律进行探索继而利用该规律对输运行为进行调控。进一步我们将这种单个光响应分子同石墨烯电极间的界面调控的思想应用到太阳能电池和传感响应器件中，构建并调控特定的单层光响应分子和石墨烯界面，探索界面调控的光电分离和传感响应新型机制。主要的研究工作分为以下两个方面: 1.围绕单分子器件中的界面调控及功能化实现这一基本科学问题，我们选择光致异构二芳烯分子作为基本的功能单元，结合石墨烯基单分子器件平台构建受界面耦合调控的单分子光电开关器件。 首先，我们设计三种具有不同取代基团的二芳烯分子，从能级位置和末端电子态密度角度调节石墨烯电极和二芳烯分子间的界面耦合，研究分子和电极界面耦合程度对分子光开关效应的影响。利用器件功能中心——二芳烯分子，在光照刺激下构象会发生变化，使得整个体系的能级结构变化，结合界面调控设计，我们研究了分子器件中能级结构变化与界面耦合对器件中导电隧穿机制的影响。 进一步，我们通过在二芳烯功能基团末端引入3个亚甲基来优化二芳烯功能中心和石墨烯电极间的界面电子耦合。优化的界面耦合作用减弱了石墨烯电极和二芳烯功能中心间强的电子耦合作用对二芳烯激发态的淬灭，实现了可逆的光调控单分子电导开关。此外，我们将温度、界面和开关态能级位置的调控统筹地引入到分子器件性能的研究中，引入核-电耦合调控概念来精确地研究分子器件中导电机理的转变和功能化特性的实现。这些单分子光开关器件中界面调控的研究为我们提供了全新的视角来设计和构建基于单分子的功能电子器件。 2.分子器件界面调控体系的拓展。我们将单分子器件中通过界面设计来调控石墨烯电极和光响应分子间的能量和电子传递的思想引入到太阳能电池界面电荷分离的研究中。通过设计和调控光激发染料/石墨烯/TiO2三元界面，来对界面上的光生电子和空穴的传输进行调节，构建基于全新界面光生电荷分离机制的选择性隧穿太阳能电池。 首先，选用经典的吖啶橙荧光分子为光激发染料，构建原子级别接触的吖啶橙染料/石墨烯/TiO2三元界面。通过对吖啶橙体系性能研究，成功地实现界面电荷分离，而这种分离重要之处在于其基于选择隧穿原理，据此，我们得到内光电转化效率高达80％的太阳能电池。相关的三元界面处的电荷转移动力学过程研究表明染料上光生电子隧穿跨越石墨烯向石墨烯-TiO2肖特基界面传输并被收集的速率远大于无效复合的速率，因此，按照选择隧穿界面电荷分离原理可以实现光生电子和空穴的高效分离。此外，选择隧穿三元界面中吖啶橙染料的组装厚度对界面处石墨烯-TiO2肖特基势垒的性能影响较小，这利于通过增加染料厚度来提高选择隧穿型太阳能电池效率。进一步的研究中，以Z907钌染料、给供体型染料、PbS量子点、P3HT光激发聚合物作为光激发材料来构建基于染料/石墨烯/TiO2三元界面的太阳能电池，验证了提出的选择隧穿性太阳能电池对染料选择的普适性。这种基于选择性隧穿原理的光生电子和空穴的分离收集发生于界面同侧，这对全新结构的紧凑集约型太阳能电池构建产生积极的意义。 进一步的研究中，我们将界面调控思想引入到石墨烯传感响应的研究中，构建基于光响应环轴烃分子和石墨烯界面的光电复合功能器件。具体地讲，我们利用非破坏的表面自组装工艺将光响应环轴烃分子和高质量石墨烯结合在一起，构建环轴烃-石墨烯复合器件。探索了光响应环轴烃分子和石墨烯界面间的调控机制，发现合理的调控光激发环轴烃分子内运动可以在环轴烃-石墨烯界面处产生协同的化学n掺杂和静电栅效应。在理解界面调控机制的基础上，我们对石墨烯和光响应环轴烃分子的界面进行有效的调控，在器件上成功实现了镜像光开关功能和非易失性存储功能。进一步结合环轴烃-石墨烯界面调控和输入输出信号控制，我们在复合器件上成功地实现了半加器、半减器等复杂的逻辑智能化功能。这些界面调控机制的提出和石墨烯基复合器件平台的建立将会有利于制备出具有信息处理和光电转化功能的新型光电功能器件。