隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，對(duì)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(dǎo)線、分子開關(guān)和分子場效應(yīng)晶體管等都取得了重要的進(jìn)展，也極大地促進(jìn)了分子電子學(xué)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(dǎo)的相關(guān)性進(jìn)行分子電導(dǎo)的預(yù)測和調(diào)控的單分子電位計(jì)等，還有待進(jìn)一步研究與開發(fā)。文獻(xiàn)報(bào)道的機(jī)械力可控的單分子電位計(jì)主要是基于柔性的直線型分子構(gòu)筑的，如直鏈的烷烴、硅烷，以及具有順反異構(gòu)特性的分子。這些分子的電導(dǎo)能夠隨著機(jī)械力引起的分子構(gòu)型的轉(zhuǎn)變而改變，但是它們的開關(guān)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(xué)唐本忠院士團(tuán)隊(duì)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(jì)，該類分子在溶液中能夠以兩種相對(duì)穩(wěn)定但又能相互轉(zhuǎn)化的構(gòu)型與電極連接，從而體現(xiàn)出多重電導(dǎo)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(dǎo)致電導(dǎo)的連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)114的開關(guān)比，并從實(shí)驗(yàn)和理論角度論證了該系列分子通過機(jī)械力來調(diào)控分子構(gòu)型來實(shí)現(xiàn)高開關(guān)比的電輸運(yùn)機(jī)制。
該研究設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，而由于相對(duì)柔性的骨架轉(zhuǎn)動(dòng)能壘較小，這些分子在溶液中實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的構(gòu)型轉(zhuǎn)變并表現(xiàn)出準(zhǔn)彈性的特點(diǎn)，即在外力的作用下分子可進(jìn)行拉伸和壓縮，類似于一個(gè)分子彈簧，并表現(xiàn)出聚集發(fā)光增強(qiáng)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(tuán)的鄰位五聯(lián)苯衍生物，利用掃描隧道顯微鏡裂結(jié)（STM-BJ）技術(shù)探究了分子的電運(yùn)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(gòu)型存在，而在溶液態(tài)下由于動(dòng)態(tài)構(gòu)型轉(zhuǎn)化，除了主導(dǎo)的AA構(gòu)型之外，同向平行的AB構(gòu)型也能穩(wěn)定存在。溶液態(tài)下的STM-BJ電導(dǎo)測試也捕捉到了來自不同接觸構(gòu)型的多重分子電導(dǎo)。結(jié)合閃爍噪音譜和理論計(jì)算分析得出，這些分子在10-3G0左右擁有的高電導(dǎo)峰是電子在AB構(gòu)型的分子中以空間隧穿的方式進(jìn)行運(yùn)輸而產(chǎn)生的電導(dǎo)，而在10-4.4到10-5.0 G0范圍內(nèi)出現(xiàn)的低電導(dǎo)峰為電子在AA構(gòu)型分子中以空間共軛和價(jià)鍵共軛相結(jié)合的多通道運(yùn)輸而產(chǎn)生的電導(dǎo)。另外，通過對(duì)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(jī)械力提拉的作用下逐漸變形，由折疊構(gòu)型變成展開構(gòu)型，并伴隨電導(dǎo)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(gè)分子的開關(guān)比更是高達(dá)114，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)報(bào)道過的機(jī)械力調(diào)控的開關(guān)比。這種能夠連續(xù)變化的電運(yùn)輸特性，為設(shè)計(jì)通過在亞納米尺度上改變電極距離從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械力調(diào)控電導(dǎo)變化的單分子電位計(jì)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(xué)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
