分子电子学是未来纳米科技、器件微型化的重要研究方向。科学家们梦想着用单个分子来构建电子元件，如分子开关、传感器、二极管甚至晶体管。然而，要实现这一目标，一个核心挑战在于如何精确调控单个分子中的电荷传输。在分子尺度下，电子行为不再遵循经典物理规律，而是展现出强烈的量子效应。其中，量子干涉（Quantum Interference, QI）现象尤为关键：当电子波函数在分子中沿不同路径传播并相互叠加时，会出现相长干涉（Constructive Quantum Interference, CQI）或相消干涉 （Destructive Quantum Interference, DQI），从而显著影响分子的导电性能。如同在电路中形成一道“量子屏障”，大幅抑制电导，限制器件性能。传统调控手段，如微调分子结构或施加外场，通常在一个数量级左右调节电导，难以满足高性能分子器件的发展需求。
兰州大学张浩力教授课题组近年来致力于对单分子尺度下电荷传输的新颖量子效应进行探索。（
J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 21, 6531–6535；
Small2020, 16, 2002808；
Adv. Electron. Mater.2023, 9, 2201024；
ACS Nano2024, 18, 45, 31547–31558；
J. Am. Chem. Soc.2024, 146, 43, 29703–29711.）近日，张浩力教授团队与兰卡斯特大学Colin J. Lambert教授合作，提出并验证了一种全新策略：通过阻断反向电流产生从而提升分子电导。研究团队通过氢键或硼配位修饰，在保持六元环拓扑结构的同时，阻断反向电流的形成，从而将原本低导电的交叉共轭系统转变为高效导电通道。单分子电导测试结果表明，通过采用阻断反向电流的策略，成功地将交叉共轭体系中的DQI转变为CQI，并协同调控分子能级，使电导提升达两个数量级。该研究奠定了通过靶向抑制量子干涉反向电流来设计高性能分子器件的新范式。
该研究论文的图片摘要
分子设计（左图）以及理论模拟示意图（右图）
该研究精彩地展示了一种新颖且反直觉的分子设计策略：将传统苯环替换为非芳香性六元环结构，看似削弱了分子共轭，却实现了电导的显著提升。该工作进一步揭示了一个分步协同的作用机制：首先，通过破坏局部共轭，“拆除”了DQI的屏障，为DQI向CQI的转变奠定基础；随后，借助硼配位有效调控能级排列，显著降低分子LUMO能级，使其与金电极费米能级更好匹配，从而放大“抑制反向电流”策略对电导的提升效果，增强电子隧穿效率。在这两者的协同作用下，成功在交叉共轭体系中打破了相消量子干涉的束缚，实现了高达两个数量级的单分子电导提升。这项工作为此前难以实现的高电导交叉共轭系统开辟了全新的设计思路，为未来量子干涉分子器件的开发奠定了坚实的基础。
该成果以《Breaking Interference-Driven Reversal Currents to Boost Single-Molecule Conductance》为题发表在
Angewandte Chemie International Edition(DOI: 10.1002/anie.202520318)上，兰州大学天然产物化学全国重点实验室博士研究生吴顺达与硕士研究生刘姝彤为本文共同第一作者，兰州大学天然产物化学全国重点实验张浩力教授以及英国兰卡斯特大学Colin J. Lambert教授为本文通讯作者。本研究获得国家自然科学基金国家重点研发计划项目、甘肃省青年科技基金、兰州大学超算平台的支持。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202520318
来源：兰州大学新闻网
热门跟贴