分子電子學(xué)的最終目標(biāo)之一是在單分子尺度上創(chuàng)造功能性電子器件。不同于宏觀電子器件，單分子電子器件是通過單個分子與電極間形成的分子結(jié)來實現(xiàn)電子元件功能。這使得單分子結(jié)能通過機械調(diào)諧實現(xiàn)對幾何構(gòu)型的原位調(diào)控進而改變電輸運性質(zhì)。然而，由于單分子結(jié)的電導(dǎo)主要取決于分子骨架結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致基于機械調(diào)諧的電導(dǎo)變化通常不超過兩個數(shù)量級。進一步增大電導(dǎo)的可調(diào)諧范圍仍然是單分子機電器件研究的重要挑戰(zhàn)。
量子干涉（quantum interference，QI）現(xiàn)象廣泛存在于分子電子器件中，對單分子結(jié)電輸運具有重要影響。電子隧穿經(jīng)過離散的分子軌道時可能會產(chǎn)生量子干涉效應(yīng)。當(dāng)波函數(shù)相位相同時，會產(chǎn)生相增量子干涉（ constructive quantum interference，CQI），電導(dǎo)增加；而相位相反時則會產(chǎn)生相消量子干涉（destructive quantum interference，DQI），電導(dǎo)降低。
近日，廈門大學(xué)的洪文晶教授和中國科學(xué)院海西研究院廈門稀土材料研究中心的高鵬教授合作，通過分子設(shè)計和合成得到具有多錨定位點的吲哚二噻吩衍生物分子IDT-T，基于機械調(diào)諧實現(xiàn)了對具有不同量子干涉性質(zhì)電導(dǎo)通路的切換。
圖1 機械調(diào)諧測試原理及分子結(jié)電導(dǎo)“跳躍”現(xiàn)象分析 作者發(fā)現(xiàn)IDT-T分子的電導(dǎo)直方圖中除了主峰外還存在一個較小的肩峰，肩峰的產(chǎn)生是由于電導(dǎo)平臺（middle-G）產(chǎn)生了一個向更高電導(dǎo)“跳躍”的現(xiàn)象（middle-G→high-G→middle-G），更有意思的是，還有相當(dāng)部分電導(dǎo)平臺具有向更低電導(dǎo)“跳躍”的特征（middle-G→low-G→middle-G）。 圖2 IDT-T分子基于AFM-BJ的力電同步分析結(jié)果 為了進一步分析產(chǎn)生“跳躍”的原因，作者借助于研究團隊基于原子力顯微鏡改造發(fā)展的原子力顯微鏡裂結(jié)（atomic force microscope break junction，AFM-BJ）儀器對分子結(jié)的斷裂點和“跳躍”點分別進行電導(dǎo)和力學(xué)信號的同步測試，分析結(jié)果表明斷裂點和“跳躍”點都具有較明顯的斷裂力，這說明“跳躍”現(xiàn)象可能來源于錨定位點的切換。作者進一步接著通過機械調(diào)諧，實現(xiàn)了分子結(jié)由高導(dǎo)（high-G）到低導(dǎo)（low-G）的切換，實現(xiàn)了超過四個數(shù)量級的電導(dǎo)變化。 圖3 IDT-T的機械調(diào)諧測試結(jié)果 透射譜計算證明了分子結(jié)的middle-G來源于兩端硫羰基錨定的構(gòu)型；high-G來源于一端硫羰基，另一端噻吩錨定；low-G來源于一端硫羰基，另一端雜環(huán)上的N原子錨定，這種錨定方式導(dǎo)致局域化分子軌道和離域化分子軌道之間的干涉產(chǎn)生的Fano共振，這導(dǎo)致了DQI的產(chǎn)生。 圖4 分子結(jié)不同錨定位點的透射譜及分子結(jié)構(gòu)型 該工作通過機械調(diào)諧實現(xiàn)了在單分子水平上對CQI和DQI電導(dǎo)通路的精確控制，并實現(xiàn)了目前為止調(diào)控效率最高的單分子機械開關(guān)，為分子機電器件的設(shè)計提供了新的思路。 論文信息 Switching Quantum Interference in Single-Molecule Junctions by Mechanical Tuning Yixuan Zhu, Yu Zhou, Lu Ren, Jingyao Ye, Haichuan Wang, Xinyuan Liu, Ruiyun Huang, Haojie Liu, Junyang Liu, Jia Shi, Peng Gao, Wenjing Hong Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202302693
