隨著社會的進步和科技的發(fā)展，對于電子器件的集成化和微型化程度的要求越來越高，促使科研工作者致力于探究分子電子元件在電路中作為重要組成部分的可能性，各種分子模型器件，如分子導線、分子開關和分子場效應晶體管等都取得了重要的進展，也極大地促進了分子電子學的發(fā)展。但是，一些特殊的電子元件，例如，可以利用有規(guī)律的位移與電導的相關性進行分子電導的預測和調(diào)控的單分子電位計等，還有待進一步研究與開發(fā)。文獻報道的機械力可控的單分子電位計主要是基于柔性的直線型分子構筑的，如直鏈的烷烴、硅烷，以及具有順反異構特性的分子。這些分子的電導能夠隨著機械力引起的分子構型的轉(zhuǎn)變而改變，但是它們的開關比通常比較低，一般只有10左右，最高的也只有25。近日，華南理工大學唐本忠院士團隊趙祖金教授等基于折疊五聯(lián)苯分子骨架開發(fā)了一類新型的單分子電位計，該類分子在溶液中能夠以兩種相對穩(wěn)定但又能相互轉(zhuǎn)化的構型與電極連接，從而體現(xiàn)出多重電導的特性，而在針尖提拉作用下，分子骨架可以發(fā)生連續(xù)的轉(zhuǎn)變，導致電導的連續(xù)變化，實現(xiàn)了高達114的開關比，并從實驗和理論角度論證了該系列分子通過機械力來調(diào)控分子構型來實現(xiàn)高開關比的電輸運機制。
該研究設計的鄰位鏈接的五聯(lián)苯分子具有鄰位寡聚苯共有的螺旋折疊結構，而由于相對柔性的骨架轉(zhuǎn)動能壘較小，這些分子在溶液中實現(xiàn)了動態(tài)的構型轉(zhuǎn)變并表現(xiàn)出準彈性的特點，即在外力的作用下分子可進行拉伸和壓縮，類似于一個分子彈簧，并表現(xiàn)出聚集發(fā)光增強的特性。研究人員利用這類分子的特殊性質(zhì)，合成了一系列帶有能與金電極作用的錨定基團的鄰位五聯(lián)苯衍生物，利用掃描隧道顯微鏡裂結（STM-BJ）技術探究了分子的電運輸性質(zhì)。通過晶體衍射和核磁分析，研究人員發(fā)現(xiàn)這些分子在固態(tài)下以能量最低的異向平行折疊的AA構型存在，而在溶液態(tài)下由于動態(tài)構型轉(zhuǎn)化，除了主導的AA構型之外，同向平行的AB構型也能穩(wěn)定存在。溶液態(tài)下的STM-BJ電導測試也捕捉到了來自不同接觸構型的多重分子電導。結合閃爍噪音譜和理論計算分析得出，這些分子在10-3G0左右擁有的高電導峰是電子在AB構型的分子中以空間隧穿的方式進行運輸而產(chǎn)生的電導，而在10-4.4到10-5.0 G0范圍內(nèi)出現(xiàn)的低電導峰為電子在AA構型分子中以空間共軛和價鍵共軛相結合的多通道運輸而產(chǎn)生的電導。另外，通過對單條提拉曲線的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)鄰位五聯(lián)苯分子能夠在針尖施加的機械力提拉的作用下逐漸變形，由折疊構型變成展開構型，并伴隨電導在10-3.0到10-6.0 G0的范圍內(nèi)的連續(xù)變化，衰減常數(shù)為0.3 A-1。其中，o-PP-2SMe這個分子的開關比更是高達114，遠遠高于文獻報道過的機械力調(diào)控的開關比。這種能夠連續(xù)變化的電運輸特性，為設計通過在亞納米尺度上改變電極距離從而實現(xiàn)機械力調(diào)控電導變化的單分子電位計提供了新思路。
以上成果發(fā)表在Nature Communication, 2021, 12, 167 上，文章的第一作者為華南理工大學博士研究生李錦詩和沈平川。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-20311-z
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