發布時間：2023年4月11日
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單分子器件可用于研究電荷傳輸的微觀機制，并可為在納米尺度研究物質的基本物理化學性質提供理想平臺。傳統上，單分子器件的構建通常需要在功能分子的末端引入雜原子錨定基團，從而將分子固定在電極之間。然而，長期以來，受限于這一方法，單分子器件的研究對象主要局限于結構相對簡單的線性分子體系。
在中國科學院院士、中科院化學研究所有機固體院重點實驗室研究員朱道本的指導下，臧亞萍課題組與和合作者首次報道了基于碳納米環帶的單分子器件，并發現了其由于獨特的環張力效應帶來的異于常規線性分子的新奇電子學和化學性質。
碳納米環帶是一種通過自下而上合成的新型碳基納米材料，被視為碳納米管的最短單元結構，具有高度精確可調的尺寸、邊緣和拓撲結構。臧亞萍課題組和合作者發現，無需引入任何雜原子錨定基團，由于獨特的環張力作用，碳納米環分子可以利用彎曲的徑向π軌道直接和金電極鍵合，構筑具有超低接觸電阻的碳納米環單分子器件。研究進一步利用不同尺寸碳納米環分子張力的變化，可以實現對其電導的高效調控。此外，臧亞萍課題組、化學所陳傳峰課題組及中國科學技術大學杜平武課題組合作，探討了碳納米環帶邊緣結構對其導電性質的影響規律，發現了在碳骨架中引入“五元環”邊緣能夠顯著促進電荷傳輸，因而帶來超高電導。
近日，臧亞萍課題組發現環張力能夠影響分子的電荷輸運性質，并使其展現出特殊的化學反應能力。該研究通過對碳納米環單分子器件施加定向電場，在溫和條件下（常溫，0.6 V電壓）實現了相鄰苯環間非極性C-C鍵的斷裂，形成了由Au-C共價鍵連接的線性寡聚苯單分子器件。對照實驗和DFT計算進一步表明，這一獨特反應遵循經典芳香親電取代（EAS）機理，其中靜電場發揮了關鍵的催化作用。該方法對不同尺寸的納米環具有普適性。利用這一方法，課題組制備了目前最長的八聚苯單分子器件，揭示了電子的隧穿傳輸距離可以延長至八個苯環單元。該原位反應方法為在表界面精準構筑新型碳納米結構以及研究其電子學性質提供了新手段。相關研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。
上述成果將單分子器件的研究拓展到復雜環形分子體系，揭示了環張力這一獨特結構效應對分子電子學和化學性質的特殊調控作用。這為未來發展具有復雜幾何和拓撲結構的新型分子材料和器件提供了新思路。研究工作得到國家自然科學基金和中科院的支持。
2023-04-11 來源： 化學研究所