2021-01-15
我们课题组从单分子尺度对分子链间电子输运性质进行了系统研究，相关研究成果以“Structure-Independent Conductance of Thiophene-Based Single-Stacking Junctions”为题发表在Angewandte Chemie International Edition（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 3280）和以“Giant Conductance Enhancement of Intramolecular Circuits through Interchannel Gating”为题发表于Cell出版社旗下Matter期刊（Matter. 2020, 10, 3872）上。
噻吩衍生物因为其优异的电学性质而在诸如有机发光二极管、有机场效应晶体管以及有机光伏电池等有机电子学材料和器件中具有众多重要应用。然而，在这些材料和器件中，分子处于聚集态，其电学性质由分子链内和链间电输运共同决定，而在宏观尺度下这两种电输运过程很难分辨和独立解析，制约了真正从分子层次来设计高性能的分子器件和材料。单分子电学测量技术通过构筑模型分子结体系，为深入探索分子链内和链间电输运性质提供了的独特机遇。
该工作采用机械可控裂结技术通过分别构建模拟分子链内输运的单分子器件和模拟分子链间输运的双分子组装体器件。研究发现，噻吩单分子器件通过分子链内的电输运过程中电导随分子长度增加呈指数降低，而噻吩组装体器件分子间通过分子链间电输运过程电导基本不随分子共轭结构及长度的变化而改变。表明在单分子尺度，分子链间输运甚至可以提供比分子链内输运更高效的电传输途径。通过分析不同共轭长度噻吩分子形成双分子组装体器件的概率，发现其随着分子共轭长度的增加而提高，证明噻吩分子共轭区域的增大提升了分子链间组装概率。该工作通过在单分子尺度构筑模型分子体系，揭示了噻吩类衍生物分子结构与其电输运性质之间的构效关系，为理解聚集态有机半导体材料的电输运过程提供了独特的视角，也为构筑基于分子链间电输运作用的新型分子器件开拓了思路（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 3280）。
基于上述工作发展的分子链间电输运表征技术，我们课题组与诺贝尔奖得主、美国西北大学Fraser Stoddart教授合作，在研究带电大环分子体系的量子干涉效应中发现，双通道带电大环分子体系的两条分子链间能够发生强静电相互作用，而这一强静电相互作用可以有效调控由通过两条分子链内电输运的相长量子干涉效应，从而实现相对单条分子链电输运超过50倍的电导增强。这一研究成果验证了分子链间非化学键的强静电相互作用能显著调控相消量子干涉效应，提出了分子链间强静电相互作用的单分子器件“自门控(self-gating)”设计新思路（Matter. 2020, 10, 3872）。
