顆粒在線訊：單分子器件可用于研究電荷傳輸?shù)奈⒂^機(jī)制，并可為在納米尺度研究物質(zhì)的基本物理化學(xué)性質(zhì)提供理想平臺(tái)。傳統(tǒng)上，單分子器件的構(gòu)建通常需要在功能分子的末端引入雜原子錨定基團(tuán)，從而將分子固定在電極之間。然而，長(zhǎng)期以來，受限于這一方法，單分子器件的研究對(duì)象主要局限于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分子體系。  

　　在中國科學(xué)院院士、中科院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員朱道本的指導(dǎo)下，臧亞萍課題組與和合作者首次報(bào)道了基于碳納米環(huán)帶的單分子器件，并發(fā)現(xiàn)了其由于獨(dú)特的環(huán)張力效應(yīng)帶來的異于常規(guī)線性分子的新奇電子學(xué)和化學(xué)性質(zhì)。  

　　碳納米環(huán)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(jié)構(gòu)，具有高度精確可調(diào)的尺寸、邊緣和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。臧亞萍課題組和合作者發(fā)現(xiàn)，無需引入任何雜原子錨定基團(tuán)，由于獨(dú)特的環(huán)張力作用，碳納米環(huán)分子可以利用彎曲的徑向π軌道直接和金電極鍵合，構(gòu)筑具有超低接觸電阻的碳納米環(huán)單分子器件。研究進(jìn)一步利用不同尺寸碳納米環(huán)分子張力的變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其電導(dǎo)的高效調(diào)控。此外，臧亞萍課題組、化學(xué)所陳傳峰課題組及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜平武課題組合作，探討了碳納米環(huán)帶邊緣結(jié)構(gòu)對(duì)其導(dǎo)電性質(zhì)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了在碳骨架中引入“五元環(huán)”邊緣能夠顯著促進(jìn)電荷傳輸，因而帶來超高電導(dǎo)。  

　　近日，臧亞萍課題組發(fā)現(xiàn)環(huán)張力能夠影響分子的電荷輸運(yùn)性質(zhì)，并使其展現(xiàn)出特殊的化學(xué)反應(yīng)能力。該研究通過對(duì)碳納米環(huán)單分子器件施加定向電場(chǎng)，在溫和條件下（常溫，0.6 V電壓）實(shí)現(xiàn)了相鄰苯環(huán)間非極性C-C鍵的斷裂，形成了由Au-C共價(jià)鍵連接的線性寡聚苯單分子器件。對(duì)照實(shí)驗(yàn)和DFT計(jì)算進(jìn)一步表明，這一獨(dú)特反應(yīng)遵循經(jīng)典芳香親電取代（EAS）機(jī)理，其中靜電場(chǎng)發(fā)揮了關(guān)鍵的催化作用。該方法對(duì)不同尺寸的納米環(huán)具有普適性。利用這一方法，課題組制備了目前最長(zhǎng)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(zhǎng)至八個(gè)苯環(huán)單元。該原位反應(yīng)方法為在表界面精準(zhǔn)構(gòu)筑新型碳納米結(jié)構(gòu)以及研究其電子學(xué)性質(zhì)提供了新手段。相關(guān)研究成果發(fā)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(fù)雜環(huán)形分子體系，揭示了環(huán)張力這一獨(dú)特結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)分子電子學(xué)和化學(xué)性質(zhì)的特殊調(diào)控作用。這為未來發(fā)展具有復(fù)雜幾何和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(xué)基金和中科院的支持。

碳納米環(huán)帶單分子器件