诺奖得主新发现：颠覆传统认知，单分子器件迎来新突破！
撰文丨小纳米
校审丨晴天
量子干涉效应
“摩尔定律”曾预言，集成电路板上每单位面积可容纳的硅基电子元件数目每隔12~24个月便会翻一倍，电子元件性能也会相应提升一倍。然而电子元件的尺寸不可能无限制缩小，为了突破集成电路微纳加工工艺的物理极限，科学家们思考采用“自下而上”的发展模式制备电子元件，即以分子为基本电学器件构筑电子电路，使集成电路的电子元件尺寸缩小至纳米乃至亚纳米的极限尺寸。
当分子器件的尺寸缩小至纳米尺度时，宏观体系下的欧姆定律不再适用，而是表现为电子通过分子时多个分立轨道透射系数的叠加，即单分子电输运的量子干涉效应，类似于光的双缝干涉现象。当透射系数的叠加高于分子前线轨道的贡献时，会产生相增量子干涉效应（Constructive QuantumInterference, CQI），提升单分子电输运能力；反之，会产生相消量子干涉效应（Destructive Quantum Interference，DQI），降低单分子电输运能力。量子干涉效应作为分子在量子尺度下的独特特性，对于设计和制备高性能的单分子电学器件具有重要意义。
然而，根据传统的量子叠加规则，中性双平行通道分子体系的电导理论上仅比单通道体系的电导大4倍，因此如何发展一种简便、可行的调控策略以进一步提升双通道体系的电输运效率是现阶段研究量子干涉效应的核心挑战。
新突破，打破量子叠加传统机制
近日，美国西北大学的J. Fraser Stoddart教授课题组与厦门大学洪文晶教授课题组和麦吉尔大学郭鸿教授课题组合作，借助具有飞安级电学测量精度和亚纳米级位移控制灵敏度的单分子电学测量技术，开展了基于带电大环分子体系的量子干涉效应研究，并提出了一种全新的自门控（self-gating）的量子干涉机制，实现了超过50倍的单分子电导调控。
第一作者：陈洪亮、郑海宁、胡晨
通讯作者：J.Fraser Stoddart、洪文晶、郭鸿
通讯单位：美国西北大学、厦门大学、加拿大麦吉尔大学
研究亮点：
1. 构建了基于带电大环分子的双通道分子内电路，
2. 实现全新的自门控（self-gating）量子干涉机制，打破传统量子叠加规则的理论限制；
3 利用通道间强静电相互作用实现了超过50倍的单分子电导调控。
在此研究工作中，作者以带电大环分子为研究体系，深入探究其在单分子尺度下的量子干涉规律，如图1所示。由于双通道体系内强的静电相互作用，在电输运过程中两个通道间会产生相互的“gating”效应，使分子的最低未占据轨道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO）向金属费米能级的方向偏移，造成近共振输运过程（Near-Resonant Transport），极大程度地提升双通道体系的电输运能力，使其不再受制于量子叠加规则的限制。
图1.“self-gating”量子干涉机制的理论示意图
为了深入探究环状芳烃体系在单分子尺度下的量子干涉规律，作者以扫描隧穿裂结技术（Scanning TunnelingMicroscope Break Junction, STM-BJ）为实验平台，研究双通道和单通道体系电输运过程的差异。图2为单分子电学测试结果。实验结果表明，双通道体系的电导值约比单通道体系大一个数量级，远高于量子叠加规则预测的4倍电导差异。此外，他们借助闪烁噪声技术探究双通道分子内强静电相互作用对其电输运过程的影响，如图2D和E的插图所示。闪烁噪声的测试结果显示，单通道分子的电输运过程符合“through-bond”机制，即电子穿过分子的透射路径主要通过化学键输运；而双通道分子的电输运过程则符合“through-space”机制，即电子主要由通道间非化学键作用进行输运，进一步验证了通道间门控效应在其电输运过程中的重要贡献。
图2.单通道和双通道体系单分子电学测试结果
为了探究不同类型通道间静电相互作用对其电输运过程的影响，作者进一步合成了三种不同骨架的环状芳烃衍生物，如图3所示。单分子电学表征结果表明，双通道环状芳烃体系的电输运过程由相增量子干涉效应（CQI）和“self-gating”效应协同决定，并受分子长度、扭转角和芳香性等因素影响，双通道环状芳烃分子的电导增强最大可达53.7倍。
图3. 不同类型通道间静电相互作用的单分子电导测试结果
为了进一步探究自门控调控量子干涉效应的理论机制，作者借助密度泛函理论计算研究了上述环状芳烃衍生物的电荷传输特性。结果表明，由于两通道间相互的门控效应，双通道体系的LUMO能级可向费米能级的方向偏移，增强了分子与金属电极的共振输运并降低隧穿势垒，进而大幅提升双通道体系的电荷传输能力。
图4. 单通道和双通道体系的密度泛函理论计算结果。
小结
在此研究工作中，作者依托于高电学测量精度和位移调控灵敏度的扫描隧穿裂结技术，首次提出一种基于自门控的量子干涉机制，使得双通道分子体系的电导相较于单通道体系提升超过50倍，打破传统量子叠加规则的理论限制。这一跨学科的研究成果验证了分子轨道间强静电相互作用对其电输运过程的重要作用，为未来设计和制备高性能的单分子电学器件提供了重要的理论依据。
该研究成果以“GiantConductance Enhancement of Intramolecular Circuits through Interchannel Gating”为题发表于Matter上（Matter 2020, 10, 3872）。美国西北大学FraserStoddart教授、厦门大学洪文晶教授，加拿大麦吉尔大学郭鸿教授为该工作的共同通讯作者，文章的共同第一作者分别是西北大学陈洪亮博士，厦门大学郑海宁，麦吉尔大学胡晨博士。该工作得到了来自科技部、国家自然科学基金委等基金的支持。
参考文献
HongliangChen, et al. Giant Conductance Enhancement of Intramolecular Circuits throughInterchannel Gating. Matter (2020).
DOI:10.1016/j.matt.2019.12.015
https://www.sciencedirect.com
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