随着电子设备变得越来越小，物理尺寸限制开始扰乱摩尔定律规定的硅基微晶体管密度大约每两年翻一番的趋势。分子电子学——使用单个分子作为电子元件的构建块——为小型电子设备的持续小型化提供了一条潜在途径。利用分子电子学的设备需要精确控制电流的流动。
然而，这些单分子组件的动态特性会影响设备性能并影响可重复性。
诺伊大学香槟分校的研究人员报告了一种独特的策略，即利用具有刚性骨架的分子(如梯形分子，被称为形状持久性分子)来控制分子电导率。此外，他们还展示了一种简单的“一锅法”来合成此类分子。这些原理随后被应用于蝴蝶状分子的合成，显示了该策略在控制分子电导率方面的普遍性。
这项新研究由材料科学与工程詹姆斯经济教授兼化学与生物分子工程教授查尔斯施罗德、博士后刘晓林和研究生杨浩共同领导，发表在《自然化学》杂志上。
“在分子电子学领域，你必须考虑分子的灵活性和运动，以及它们如何影响功能特性，”施罗德说。“事实证明，这对分子的电子特性起着重要作用。为了克服这一挑战，实现无论何种构象都能保持恒定的电导率，我们的解决方案是制备具有刚性骨架的分子。”
分子电子学面临的主要挑战之一是许多有机分子具有灵活性和多种分子构象(由于键旋转而形成的原子排列)，每种构象都可能导致不同的电导率。
刘教授解释道：“对于具有多种构象的分子，电导率的变化非常大，有时相差 1,000 倍。我们决定使用形状持久的梯形分子，它们显示出一组稳定的刚性构象，因此我们可以实现稳定而强大的分子连接电导率。”
梯形分子是一类分子，其包含连续的化学环序列，环之间至少有两个共享原子，从而将分子“锁定”在特定的构象中。这种结构提供了形状持久性并限制了分子的旋转运动，从而最大限度地减少了电导变化。
当分子电子学的最终目标是用于功能设备时，保持一致的电导率尤为重要。这意味着数十亿个组件必须具有相同的电子特性。
“电导率的变化是阻碍分子电子设备成功商业化的问题之一。制造大量相同的元件并控制单分子连接中的分子电导率非常困难，”杨解释说。“如果我们能够精确地做到这一点，将有助于推动商业化并使电子设备变得非常小。”
为了控制形状不变的分子的分子电导性，该团队采用了独特的一锅梯形合成策略，产生了化学性质多样、带电的梯形分子。传统的合成方法使用昂贵的起始材料，通常是双组分反应，这限制了产品的多样性。使用一锅多组分策略(也称为模块化合成)，起始材料要简单得多，而且可以商业化获得。
刘说：“我们可以使用这些起始材料的多种不同组合，制造出适用于分子电子学的丰富多样的产品分子。”
此外，刘和杨还运用了他们从梯形分子中学到的规则，通过设计、合成和表征蝴蝶状分子的电子特性，证明了形状持久性的广泛适用性。这些分子有两个化学环“翅膀”，与梯形分子一样，蝴蝶分子具有锁定的主干结构和受限的旋转。这将为设计其他功能材料铺平道路，并最终为更可靠、更高效的设备铺平道路。
标签：
免责声明：本文由用户上传，如有侵权请联系删除！