基于溶剂-分子相互作用和金属-有机杂合分子设计的单分子电输运性质调控

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分子电子学从研究单个分子的电学性质入手,为设计开发具有应用价值的功能化分子器件提供理论基础。要实现纳米尺度下单分子电输运性质的精确测量,稳定高效的测量技术是前提。发展至今,已开发出多种高效可靠的单分子电学测量技术,例如机械可控裂结技术(Mechanically Controllable Break Junction,MCBJ)和扫描隧穿裂结技术(Scanning Tunneling Microscope Break Junction,STM-BJ)。它们已广泛应用于分子电子学前沿基础研究,也为从分子尺度研究物质物理化学现象提供了新思路。除了关注分子本身的结构性质等决定电输运性质的内部因素,研究环境等外部因素对单分子电学性质的影响,为理解分子电输运机制及功能化分子器件的开发提供了理论支持。因此本研究从溶剂环境调控及金属-有机杂合体系的角度出发,探究内外因素对于分子电输运性质的影响。本研究依托于实验室自主研发的单分子电学测量及数据统计分析方法,深入探究了溶剂与分子间相互作用对分子电输运性质的影响,提供了一种调控单分子电输运性质的新方法。同时,为了实现环境控制下的单分子电学测量,我们了发展STM-BJ方法,自主设计搭建了一套气相环境可控的扫描隧穿裂结(Gas-phase Environmental Controllable Scanning Tunneling Microscope Break Junction,GEC-STM)装置,测量了无法在空气中保存的金属-有机杂合分子的电学性质。主要研究内容简介如下:1.基于MCBJ测试平台,测量了寡聚苯乙炔分子在不同极性的溶剂中的电输运性质,发现对比于均三甲苯,分子在四氢呋喃中电导提高了将近十倍,且在不同比例的混合溶剂中,分子电导与极性溶剂的比例呈正相关。通过与类似分子的对比试验发现,这种溶剂调控现象不仅与溶剂相关,还与分子的锚定基团相关。进一步利用DFT理论计算构建了合理的分子模型,分析了溶剂-分子相互作用影响分子电输运性质中锚定基团的影响,发现只有在弱耦合的分子结中,溶剂分子能够通过静电相互作用力改变分子前线轨道能量,从而调控分子电输运性质。证明了溶剂调控是一种控制分子电导有序变化的有效方法。2.为研究环境敏感的分子体系的电输运性质,将气氛环境控制系统与实验室自主研发的STM测试系统相结合,开发出GEC-STM测试平台,实现了分子电学测量中对于气氛环境的精准控制,为环境敏感的分子体系提供了电学测量手段。3.利用GEC-STM测试平台,对一系列含四键钼中心的金属-有机杂合分子进行分子电输运性质表征,证实了 d(δ)-p(π)共轭体系对单分子电输运能力的增强作用。结合理论计算提出合理的简化分子结构模型,模拟计算了分子前线轨道及其在电输运过程中的作用,解释了 d(δ)-p(π)共轭体系增强电导的内在原因,即四键钼中心提供的δ轨道参与了电荷输运,减小了分子结的HOMO-LUMO间隙。
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