图2. LUMO-主导的电子输运机理。图片来源：Matter 2021
在实验过程中，陈洪亮研究员等提出“分子积木”的合成策略，使用有机化学中最简单的亲核取代反应，仅需两步就能将具有不同结构和功能的导电骨架“拼接”成大环分子电路（图3）。这一设计摆脱了分子导线的合成对于昂贵底物和催化剂的依赖。该工作中所涉及的大环分子均含有两个二苯基硫醚的锚定基团，和金电极实现可靠连接；联吡啶鎓盐的衍生物骨架作为电子传输通道，通过在吡啶基团中间插入不同的官能团，实现差异性的电子输运：能量差异通过在通道中引入含氮杂环实现；而相位差异则是通过在吡啶鎓盐中间插入碳-碳单键、双键、以及三键实现。
图3. “分子积木”的合成策略构筑大环分子电路。图片来源：Matter 2021
【单分子电导测试】
在实验中，他们使用扫描隧道显微镜断裂连接技术（STM-BJ）测量了单分子电导。为了证明LUMO主导的电子传输机理，他们进行了单分子热电势测量。发现5‒D4+分子的塞贝克系数达到了‒52.53 ± 3.97 μV K-1。负号表示5‒D4+的LUMO能级接近金电极的费米能级。较大的塞贝克系数也表明了在金费米能级附近应该出现的大斜率的陡坡，验证了干涉效应的发生。单分子电导结果也表明（图4）：两条导电通道的能量差异不会引起相消干涉，反而产生相长干涉，使得电导增大；而相位差异则会造成显著的相消量子干涉，使得分子电导下降近两个数量级。据此，我们基于同一大环分子平台，同时构建了分子导体与分子绝缘体两种基元器件，这对于将来构筑单分子集成电路具有重要意义（图5）。
图4. 使用扫描隧道显微镜断裂结技术测得的导分子电导曲线。图片来源：Matter 2021
图5. 基于同一分子平台构建分子导体与分子绝缘体基元器件
【总结】
图6. 超分子电子学的研究范畴
陈洪亮研究员及其合作者自2018年以来，一直聚焦于研究多通道大环分子电路的电子输运性质，先后在自门控量子相长干涉效应(Matter, 2020, 2, 378–389)、静电锚定机理(J. Am. Chem. Soc.2021, 143, 2886–2895; J. Am. Chem. Soc.2021, 143, 8476–8487)、相消量子干涉效应(Matter, 2021, DOI: 10.1016/j.matt.2021.08.016)等方向取得进展。这些基础工作为后续研究中基于同一分子平台制备单分子导体和绝缘体等及元器件，并基于此构筑复杂的分子集成电路奠定了基础（图6）。
图7. 超分子电子学的研究范畴。图片来源：Nature Reviews Materials 2021
基于对超分子电子学这一全新领域的核心问题和相关进展的理解，陈洪亮研究员及合作者应邀在《自然综述•材料》上撰写了题为“从分子电子学到超分子电子学”（From Molecular to Supramolecular Electronics）的综述论文（Nature Reviews Materials, 2021, 6, 804–828），明确了“超分子电子学”的研究范畴，凝练出“分子尺度超分子电子学”（single-supermolecule electronics，SSEs）的概念，总结了这一全新交叉领域所面临的发展机遇及挑战。
来源：浙江大学返回搜狐，查看更多