JACS：门控反转单分子结的整流方向

整流器在现代电子设备中扮演着至关重要的角色，主要用于控制电流的方向。传统的分子整流器设计通常依赖于不对称的分子骨架（如D-σ-A结构）或不对称电极材料及其锚定功能团。然而，这些方法在实际应用中存在一定的局限性。例如，由于分子结构复杂，难以获得与有效控制器件的整流性能；此外，现有设计通常缺乏灵活性，难以实现整流特性在原位的可调节。

图1. 四电极电化学隧道显微镜断裂结实验装置示意图以分子结在不同栅压 (V_G) 和偏压 (V_B) 下的一维电导直方图。图片来源：JACS

近日，南开大学向东教授（点击查看介绍）科研团队及合作者采用四电极电化学扫描隧道显微镜断裂结装置 (STM-BJ) 作为实验平台，所选目标分子为对称的1,4-双（吡啶-4-基）苯 (BPB)，实验中采用咪唑基离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐作为门控介质，在电化学环境下对单分子结的电子输运行为进行了系统研究，首次在原位单分子尺度上实现了整流的调控以及反转。此外，作者在不同栅压条件下进行了电流-电压（I-V）连续扫描测量。结果表明，使用扫描测量时，整流反转现象更加明显且变化趋势具有可控性。

图2. 对不同门控下BPB分子进行I-V扫描。图片来源：JACS

为进一步验证离子液体门控电压对器件整流作用的调控效果，作者通过单能级输运模型对门控整流调制机制进行分析，发现原本在固态分子晶体管中轨道能级主导的电子传输机制在离子门控中并不占据主导地位。进一步的密度泛函理论计算表明，随着离子吸附的变化，分子轨道能级会发生相应的调整，因此门控对电极上离子吸附的平衡性的调节控制了整流器件的整流比。这一发现为离子液体门控调控机制的理解提供了新的理论支持。

该研究通过在单分子尺度构建对称分子体系，深入探讨了离子液体门控电压对电子输运性质的调控机制，为理解离子液体环境中电子输运过程提供了全新的研究视角。

相关工作发表在J. Am. Chem. Soc.上，论文的第一作者为南开大学王浩宇硕士研究生。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Gating the Rectifying Direction of Tunneling Current through Single-Molecule Junctions

Haoyu Wang¹, Fenglu Hu¹, Adila Adijiang¹, Ramya Emusani¹, Jieyi Zhang¹, Qihong Hu¹, Xuefeng Guo^1,2, Takhee Lee³, Lichuan Chen^1,*, Dong Xiang^1,* 

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 35347–35355, DOI: 10.1021/jacs.4c13773

导师介绍

向东教授科研团队

https://ceo.nankai.edu.cn/szll/xdgxyjs/xd.htm 

https://www.x-mol.com/university/faculty/63465