分子電子學(xué)是未來納米科技、器件微型化的重要研究方向?？茖W(xué)家們夢想著用單個分子來構(gòu)建電子元件，如分子開關(guān)、傳感器、二極管甚至晶體管。然而，要實現(xiàn)這一目標(biāo)，一個核心挑戰(zhàn)在于如何精確調(diào)控單個分子中的電荷傳輸。在分子尺度下，電子行為不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律，而是展現(xiàn)出強(qiáng)烈的量子效應(yīng)。其中，量子干涉（Quantum Interference, QI）現(xiàn)象尤為關(guān)鍵：當(dāng)電子波函數(shù)在分子中沿不同路徑傳播并相互疊加時，會出現(xiàn)相長干涉（Constructive Quantum Interference, CQI）或相消干涉 （Destructive Quantum Interference, DQI），從而顯著影響分子的導(dǎo)電性能。如同在電路中形成一道“量子屏障”，大幅抑制電導(dǎo)，限制器件性能。傳統(tǒng)調(diào)控手段，如微調(diào)分子結(jié)構(gòu)或施加外場，通常在一個數(shù)量級左右調(diào)節(jié)電導(dǎo)，難以滿足高性能分子器件的發(fā)展需求。

蘭州大學(xué)張浩力教授課題組近年來致力于對單分子尺度下電荷傳輸?shù)男路f量子效應(yīng)進(jìn)行探索。（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 21, 6531–6535； Small 2020, 16, 2002808； Adv. Electron. Mater. 2023, 9, 2201024；ACS Nano 2024, 18, 45, 31547–31558； J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 43, 29703–29711.）近日，張浩力教授團(tuán)隊與蘭卡斯特大學(xué)Colin J. Lambert教授合作，提出并驗證了一種全新策略：通過阻斷反向電流產(chǎn)生從而提升分子電導(dǎo)。研究團(tuán)隊通過氫鍵或硼配位修飾，在保持六元環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同時，阻斷反向電流的形成，從而將原本低導(dǎo)電的交叉共軛系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝?dǎo)電通道。單分子電導(dǎo)測試結(jié)果表明，通過采用阻斷反向電流的策略，成功地將交叉共軛體系中的DQI轉(zhuǎn)變?yōu)镃QI，并協(xié)同調(diào)控分子能級，使電導(dǎo)提升達(dá)兩個數(shù)量級。該研究奠定了通過靶向抑制量子干涉反向電流來設(shè)計高性能分子器件的新范式。

該研究文論的圖片摘要

分子設(shè)計（左圖）以及理論模擬示意圖（右圖）

該研究精彩地展示了一種新穎且反直覺的分子設(shè)計策略：將傳統(tǒng)苯環(huán)替換為非芳香性六元環(huán)結(jié)構(gòu)，看似削弱了分子共軛，卻實現(xiàn)了電導(dǎo)的顯著提升。該工作進(jìn)一步揭示了一個分步協(xié)同的作用機(jī)制：首先，通過破壞局部共軛，“拆除”了DQI的屏障，為DQI向CQI的轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)；隨后，借助硼配位有效調(diào)控能級排列，顯著降低分子LUMO能級，使其與金電極費米能級更好匹配，從而放大“抑制反向電流”策略對電導(dǎo)的提升效果，增強(qiáng)電子隧穿效率。在這兩者的協(xié)同作用下，成功在交叉共軛體系中打破了相消量子干涉的束縛，實現(xiàn)了高達(dá)兩個數(shù)量級的單分子電導(dǎo)提升。這項工作為此前難以實現(xiàn)的高電導(dǎo)交叉共軛系統(tǒng)開辟了全新的設(shè)計思路，為未來量子干涉分子器件的開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

該成果以《Breaking Interference-Driven Reversal Currents to Boost Single-Molecule Conductance》為題發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition (DOI: 10.1002/anie.202520318)上，蘭州大學(xué)天然產(chǎn)物化學(xué)全國重點實驗室博士研究生吳順達(dá)與碩士研究生劉姝彤為本文共同第一作者，蘭州大學(xué)天然產(chǎn)物化學(xué)全國重點實驗張浩力教授以及英國蘭卡斯特大學(xué)Colin J. Lambert教授為本文通訊作者。本研究獲得國家自然科學(xué)基金國家重點研發(fā)計劃項目、甘肅省青年科技基金、蘭州大學(xué)超算平臺的支持。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202520318

編輯：王文樂

責(zé)編：彭倩