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兰大团队突破单分子电导瓶颈,赋能纳米器件微型化

发布时间: 2025-12-22 14:11:31 来源: 中国科学报

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在纳米科技与器件微型化浪潮下,采取“自下而上”的思路,用单个分子构建电子元件乃至集成电路,成为了科学家探索的前沿。若实现,将能克服硅基芯片所面临的摩尔定律失效的瓶颈。然而,如何精准调控单个分子中的电荷传输,成为制约发展的核心难题。近日,兰州大学张浩力教授团队联合兰卡斯特大学Colin J. Lambert教授,在单分子量子干涉效应研究中取得突破相关成果发表于《应用化学国际版》。u0a速刷资讯——每天刷点最新资讯,了解这个世界多一点SUSHUAPOS.COM

在单分子尺度下,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”起到了关键作用。电子以波的形式传播时,通过不同路径传输的波函数相遇后,可能因相位相同叠加增强(相长干涉,CQI),也可能因相位相反抵消减弱(相消干涉,DQI)。相长干涉大幅提升导电性,相消干涉则大幅抑制电导,成为分子器件性能瓶颈。u0a速刷资讯——每天刷点最新资讯,了解这个世界多一点SUSHUAPOS.COM

传统手段通过微调分子结构或施加外场调控电导,效果有限。例如改变分子的拓朴结构、调控分子构型等,通常能在一个数量级左右调节电导。尤其在交叉共轭分子体系中,电子传输路径易形成相消干涉,导致电导极低,严重限制其应用潜力。u0a速刷资讯——每天刷点最新资讯,了解这个世界多一点SUSHUAPOS.COM

张浩力教授团队提出“反直觉”方案:不强化分子共轭性,反而通过氢键或硼配位修饰,将分子中的苯环替换为非芳香性六元环结构,看似削弱共轭性,却意外打破相消干涉束缚。团队核心策略是“阻断反向电流”:在交叉共轭体系中,电子沿多条路径传输,部分路径形成反向电流,从而产生了相消干涉。通过化学修饰,团队精准阻断反向电流形成路径,使电子传输畅通。u0a速刷资讯——每天刷点最新资讯,了解这个世界多一点SUSHUAPOS.COM

实验数据显示,采用该策略后,交叉共轭体系中的相消干涉被成功转变为相长干涉,同时,分子能级被协同调控,与金电极的费米能级更好匹配,分子电导提升两个数量级,达到传统方法难以企及的水平。这意味着,原本“导电困难”的分子,如今可通过简单修饰实现高效导电,为高电导分子器件设计开辟新路径。u0a速刷资讯——每天刷点最新资讯,了解这个世界多一点SUSHUAPOS.COM

研究揭示了突破背后的分步协同作用机制。第一步“釜底抽薪”:破坏反向电流存在的局部共轭结构,从根源上打断“反向电流”的传输路径,抑制相消量子干涉效应。第二步“锦上添花”:通过硼配位实现能级调控,增强分子能级与金电极费米能级的匹配程度,提高电子隧穿效率,进一步放大电导提升效果。u0a速刷资讯——每天刷点最新资讯,了解这个世界多一点SUSHUAPOS.COM

这项研究提出颠覆性分子设计策略,为未来量子干涉分子器件的研发提供了新思路。论文共同第一作者、兰州大学博士研究生吴顺达表示,随着纳米科技发展,这项研究或将推动分子芯片、分子集成电路的应用落地。该研究获得国家自然科学基金国家重点研发项目、甘肃省青年科科技基金、兰州大学超算平台的支持。u0a速刷资讯——每天刷点最新资讯,了解这个世界多一点SUSHUAPOS.COM

相关论文链接: https://doi.org/10.1002/anie.202520318u0a速刷资讯——每天刷点最新资讯,了解这个世界多一点SUSHUAPOS.COM

分子设计(左图)以及理论模拟示意图。兰州大学供图。


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