单分子电子学:分子链间电输运研究取得新进展

厦门大学化学化工学院洪文晶教授课题组近期在分子链间电输运研究方面取得进展,相关研究成果分别发表于Angewandte Chemie International Edition(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 3280)和Cell出版社旗下Matter(Matter. 2020, 10, 3872)上。

噻吩衍生物因为其优异的电学性质而在诸如有机发光二极管、有机场效应晶体管以及有机光伏电池等有机电子学材料和器件中具有众多重要应用。然而,在这些材料和器件中,分子处于聚集态,其电学性质由分子链内和链间电输运共同决定,而在宏观尺度下这两种电输运过程很难分辨和独立解析,制约了真正从分子层次来设计高性能的分子器件和材料。单分子电学测量技术通过构筑模型分子结体系,为深入探索分子链内和链间电输运性质提供了的独特机遇。



该工作采用机械可控裂结技术通过分别构建模拟分子链内输运的单分子器件和模拟分子链间输运的双分子组装体器件。研究发现,噻吩单分子器件通过分子链内的电输运过程中电导随分子长度增加呈指数降低,而噻吩组装体器件分子间通过分子链间电输运过程电导基本不随分子共轭结构及长度的变化而改变。表明在单分子尺度,分子链间输运甚至可以提供比分子链内输运更高效的电传输途径。通过分析不同共轭长度噻吩分子形成双分子组装体器件的概率,发现其随着分子共轭长度的增加而提高,证明噻吩分子共轭区域的增大提升了分子链间组装概率。该工作通过在单分子尺度构筑模型分子体系,揭示了噻吩类衍生物分子结构与其电输运性质之间的构效关系,为理解聚集态有机半导体材料的电输运过程提供了独特的视角,也为构筑基于分子链间电输运作用的新型分子器件开拓了思路。

该研究工作以“Structure-Independent Conductance of Thiophene-Based Single-Stacking Junctions”为题发表在Angewandte Chemie International Edition。洪文晶教授、中科院化学所张德清研究员与刘子桐副研究员、英国兰卡斯特大学Colin J. Lambert教授为论文的共同通讯作者。厦门大学化学化工学院化工系李晓慧博士、白杰博士和兰卡斯特大学吴青青博士为论文共同第一作者,刘俊扬副研究员、师佳副教授、博士后胡勇、研究生唐淳、郑珏婷、宋沆、黄晓娟和萨本栋微纳研究院的杨杨副教授等也参与了研究工作。



基于上述工作发展的分子链间电输运表征技术,洪文晶教授课题组与诺贝尔奖得主、美国西北大学Fraser Stoddart教授合作,在研究带电大环分子体系的量子干涉效应中发现,双通道带电大环分子体系的两条分子链间能够发生强静电相互作用,而这一强静电相互作用可以有效调控由通过两条分子链内电输运的相长量子干涉效应,从而实现相对单条分子链电输运超过50倍的电导增强。这一研究成果验证了分子链间非化学键的强静电相互作用能显著调控相消量子干涉效应,提出了分子链间强静电相互作用的单分子器件“自门控(self-gating)”设计新思路。

该研究工作以“Giant Conductance Enhancement of Intramolecular Circuits through Interchannel Gating”为题发表于Cell出版社旗下Matter期刊。美国西北大学Fraser Stoddart教授、厦门大学化学化工学院洪文晶教授、加拿大麦吉尔大学郭鸿教授为该工作的共同通讯作者,西北大学陈洪亮博士、厦门大学化学化工学院硕士生郑海宁、麦吉尔大学胡晨博士为论文共同第一作者。

上述工作得到国家重点研发计划课题(2017YFA0204902)、国家自然科学基金(21722305、21673195、21703188)等项目的资助,也得到了固体表面物理化学国家重点实验室、能源材料化学协同创新中心的支持。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201913344

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238519304060  

发布日期:2020/2/21 发布者:网站管理员 点击数:63