单分子电子学:原子级门控单分子量子干涉效应和输运模式分析

发布日期:2021-08-24     浏览次数:次   

我院洪文晶教授课题组在单分子量子干涉的相关研究取得重要进展。相关研究成果以“Reversible Switching between Destructive and Constructive Quantum Interference Using Atomically Precise Chemical Gating of Single-Molecule Junctions”为题发表于Journal of the American Chemical Society (DOI: 10.1021/jacs.1c00928)

单分子量子干涉效应有望应用于制备高性能的分子电学器件。然而,对量子干涉效应的调控依然存在较大挑战。类似于光的干涉,量子干涉也具有相增与相消干涉两种模式。如果能够实现对两种干涉模式的直接切换,则有望实现对分子电学性质的显著调控。分子量子干涉的模式显著受前线轨道的影响,如果能够施加原子级精确的电场,则有望定向操纵分子的前线轨道,使量子干涉模式发生完全的切换。近日,洪文晶教授课题组与厦门大学/南方科技大学夏海平教授、英国华威大学Hatef Sadeghi副教授课题组合作,开发了原子级精确化学门控策略:利用吡啶氮与阳离子试剂的化学反应选择性,对分子前线轨道施加非均匀的电场效应,进而诱导前线轨道交叉,实现相增与相消量子干涉模式的完全切换。基于此,分子结不仅表现出超过一个数量级的电导差异,而且通过闪烁噪声分析表明,电荷输运方式也发生了从经由空间到经由化学键耦合的过渡。

该研究工作是由我院洪文晶教授、厦门大学/南方科技大学夏海平教授以及英国华威大学Hatef Sadeghi博士共同指导下完成,我院能源材料化学协同创新中心(iChEM)2015级博士研究生唐淳(已毕业)和化工系2019级硕士生黄龙凤、华威大学Sara Sangtarash为论文共同第一作者。该工作获得了国家自然科学基金委(216731952172230521703188U1705254),国家重点研发计划(2017YFA0204902),厦门大学校长基金(20720200068)以及中国博士后面上基金(2017M622060)的资助以及固体表面物理化学国家重点实验室、嘉庚创新实验室和能源材料化学协同创新中心的支持。

而且,基于实验室发展的闪烁噪声分析方法和电荷输运方式的切换理论也得到了进一步验证。洪文晶教授课题组通过与华南理工大学唐本忠院士团队赵祖金教授合作,对邻-五联苯的单分子电子输运性质进行了研究。实验结果发现,邻-五联苯的单分子电导可以通过机械拉伸实现差异大于两个数量级的电导态切换。进一步的闪烁噪声分析和理论计算结果表明,对单分子结的机械拉伸改变了邻-五联苯的构象,实现了单分子结中电子经由化学键和经由空间耦合输运的改变。这一研究成果已于日前发表于《自然-通讯》(Nat.Commun.,2021,12,167)。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c00928 

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-20311-z

 

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