具有多通道电输运性能的空间共轭单分子并联电路 (Angew. Chem. Int. Ed. 2020)

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引言

目前,传统硅基芯片的性能已经逐渐接近其理论极限,为了适应科技的飞速发展,芯片革命已经势在必行。有机分子具有尺寸小、结构多样以及可通过辐射减少发热等特性,有极大的希望被应用于制备集成度更高、性能更强、散热更好的新一代微型芯片。对于有机分子器件而言,实现高效且可控的分子电导是一个巨大的挑战。理论上,电极之间分子的导电通路越多,就越容易实现高的电导,但是迄今为止,多通道的分子器件仍鲜有报道。近日,华南理工大学唐本忠院士团队赵祖金教授等开发了一种新型的单分子并联电路,利用价键共轭导电通道和空间共轭导电通道之间的协同作用,实现了优异的单分子电输运性能,为开发新一代多功能可控型分子器件提供了新的思路。

成果简介

研究人员成功制备了基于两条四联苯共轭链构建的折叠型分子 f-4Ph-4SMe,两条链末端共修饰有 4 个甲硫基,中间有一个双键对两条链进行连接和固定。晶体结构显示该分子具有规整的折叠构型,两条四联苯链近似平行地紧密排列,链间距约为 3.30 Å,因此两条链之间存在着较强的相互作用。4 个甲硫基可以与 2 个金电极相连接形成单分子结,类似于一个并联电路。溶液态的扫描隧道显微镜裂结(STM-BJ)测试结果显示 f-4Ph-4SMe 中存在着多种差异显著的电导态,该结果与单分子层状态下的测试结果相一致。结合理论计算,研究人员发现实验中测得的不同电导态是由于折叠分子与金电极之间形成的不同连接方式所导致的。当4个甲硫基全部与电极连接时,分子表现出最大的电导(10-4.4 G0);当 3 个甲硫基与电极相连时,分子电导次之(10-4.69 G0);当同一四联苯链上的2个甲硫基(如图中的 A1A2)与电极连接时,分子电导更小(10-4.94 G0);当不同链上处于对角线位置的 2 个甲硫基与电极相连时,电导最小(小于检测限 10-6.0 G0)。该研究结果也与另外两个仅具有 2 个甲硫基的对比分子的电导性能相一致。

为了进一步研究 f-4Ph-4SMe 的最高电导态,研究人员结合密度泛函理论(DFT)研究了分子的电子结构。同时,结合非平衡态格林函数(NEGF)方法,研究者们计算了分子在电极之间的透射谱以及电子在电极之间传输时的透射路径。结果显示,由于 f-4Ph-4SMe 的两条四联苯链之间具有很强的空间共轭作用,前线轨道的电子云相互交叠,产生了通过空间而不经过化学键的导电通道,使得该折叠分子不仅具有沿着四联苯骨架的价键共轭导电通道,而且在两条四联苯之间形成了空间共轭导电通道。当上下两条四联苯链同时与金电极连接并导通时,价键共轭和空间共轭通道协同作用,产生了1+1>2 的效果,从而使 f-4Ph-4SMe 分子具有优异的导电性能。当与电极连接的甲硫基减少时,所形成的导电通道也随之减少,分子导电性能也随之下降。

该研究为人们理解电子在π-π 堆叠的分子体系中的传输机制提供了一个理想的模型。研究也表明,具有多锚定基团的分子导线与电极的不同链接方式将导致不同的导电性能,为实现单分子电导的可控性提供了思路。文中所提出的新型单分子并联电路对于开发性能可调的单分子器件具有重要的借鉴意义。

参考文献

  • Shen, M. Huang, J. Qian, J. Li, S. Ding, X. -S. Zhou, B. Xu, Z. Zhao, B. Z. Tang. Achieving efficient multichannel conductance in through-space conjugated single-molecule parallel circuits. Angew. Chem. Int. Ed.,2020, DOI:10.1002/anie.202000061.

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