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張德清課題組與廈門大學洪文晶等課題組合作在單分子電導調控方面取得系列進展
2020-05-29 | 編輯:lry | 【 】【打印】【關閉

   近年來,分子電子學領域陸續發展了機械可控裂結技術(MCBJ)、掃描隧道顯微鏡裂結技術(STM-BJ)、石墨烯-分子-石墨烯的單分子結方法(GMG-SMJs)等技術,實現了對單分子電導的測量。通過向共軛分子(分子導線)兩端引入錨定基團(-SCH3-NH2),其分別可與電極結合和連接,進而可以將共軛分子(分子導線)“錨定”在兩個電極之間和測量單分子電導。該方法已被用于研究共軛分子的結構以及“錨定”基團對單分子電導的影響規律。

  自2015年起,中國科學院化學研究所張德清研究員與廈門大學洪文晶教授、英國蘭卡斯特大學Colin Lambert教授開展密切合作,發揮在響應性功能分子的研究基礎,設計合成含有“錨定”基團的響應性功能分子(張德清課題組),開展單分子電導的高精度測量(洪文晶課題組)以及理論計算(Colin Lambert課題組),實現了對單分子電導的可逆調控。他們研究了萘二酰亞胺(NDI)單分子結的電輸運性質,并通過原位電化學反應,成功測定了NDI陰離子自由基和二價負離子的電導,在單分子層次上實現對三個電導狀態的可逆調控Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 13586.。設計合成了在不同位置取代“錨定基團”的薁分子(Azulene),不僅“錨定基團”取代位置可以影響薁分子單分子結的電導,而且發現質子化(加入三氟乙酸)可以進一步改變單分子結的電導Chem. Sci. 2017, 8, 7505.)。特別是向體系中引入螺吡喃分子,利用其開環異構體可以可逆地與質子結合和釋放,通過分子間光誘導質子轉移策略在單分子尺度下實現了紫外/可見光照對單分子電導的可逆調控,構筑了高度可逆且單分子電導開關比達到一個數量級的單分子開關;利用質子和紫外/可見光照可以調控薁分子單分子結的電導的性質,構筑了以質子、紫外/可見光照為輸入信號、以單分子電導為輸出信號的分子邏輯門Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 3829.)。

  他們進一步運用通過單分子電導研究共軛分子間π-π相互作用對傳輸性能的影響。他們設計合成了一系列帶有雙“錨定”及單“錨定”基團的噻吩寡聚物分子,并分別構建了模擬分子鏈內輸運的單分子器件和模擬分子鏈間輸運的雙分子組裝體器件。研究發現通過分子鏈內的電導隨分子長度增加呈指數降低,而雙分子組裝體器件通過分子間電輸運過程的電導基本不隨分子共軛結構及長度的變化而改變。表明在單分子尺度,分子間輸運甚至可以提供比分子鏈內輸運更高效的電傳輸途徑。同時還發現噻吩寡聚物分子形成雙分子組裝體器件的概率隨著分子共軛長度的增加而提高。表明增大分子的共軛區域有利于分子間π-π相互作用,進而提高了形成雙分子組裝體器件的概率。該工作通過在單分子尺度構筑模型分子體系,揭示了噻吩類衍生物分子結構與其電輸運性質之間的構效關系,為理解聚集態有機半導體材料的電輸運過程提供了獨特的視角,也為構筑基于分子間電輸運作用的新型分子器件開拓了思路。研究成果發表于近期出版的德國應用化學上Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 3280.)。

   

               1. 含雙錨定及單錨定基團的聯噻吩分子和單分子電導研究 

    

 

  有機固體院重點實驗室 

  2020529   

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