研究人员展示了使用梯状分子的单分子电子开关

研究人员展示了一种用于单分子电子开关的新材料，它可以有效地在纳米尺度上改变电流以响应外部刺激。这种分子开关的材料具有通过将线性分子主链锁定为梯型结构而形成的独特结构。一项新的研究发现，梯型分子结构极大地增强了材料的稳定性，使其在单分子电子应用中极具前景。

该研究发表在《化学》杂志上，表明梯型分子在广泛的电导率水平和不同的分子状态下充当稳健且可逆的分子开关。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校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·施罗德说：“我们的工作为功能性分子电子器件的开发向前迈出了重要一步。”

为了增强分子的化学和机械稳定性，研究小组在化学合成中使用了新策略来锁定分子主链，以防止分子旋转，就像将绳梯转化为金属或木材等更稳定的东西一样。

“想象一下我们每天打开和关闭的电灯开关，但我们不是翻转实际的开关，而是添加化学或电化学刺激来打开和关闭来自材料的电信号，”主要作者和前研究生贾玲说(卡罗琳)李。与大块无机材料相比，有机单分子可以制成基本的电气元件，如电线和晶体管，并将有助于实现缩小电路的最终目标。

单分子电子器件被构造为具有单分子桥的结，该单分子桥通常锚定到连接到金属电极的两个端子组。这些设备可以通过使用桥中的刺激响应元件进行编程，该元件可以通过使用pH、光场、电场、磁场、机械力和电化学控制等一系列刺激来打开和关闭。

“分子尺度开关一直是单分子电子学研究中非常受欢迎的课题，”李解释道。“但是在分子尺度上实现多态开关具有挑战性，因为我们需要一种导电且具有多种不同分子电荷态的材料，并且我们要求该材料非常稳定，以便它可以多次循环打开和关闭”。

尽管李探索了许多其他有机材料，但这些材料的缺点是它们在环境条件下不稳定，并且在暴露于氧气时很容易分解。经过长时间寻找理想材料后，李偶然发现了德克萨斯农工大学研究小组(该项目的合作者)的一种材料，并立即认定它是她用途的理想材料。

通过锁定分子主链来修改结构，可以防止水解、与水反应导致的化学分解以及其他降解反应的发生，并且由于材料不能旋转和改变形式，因此可以更容易地表征材料。

这种刚性的共面形式增强了分子的电子特性，使电子更容易穿过材料。当施加外部刺激时，梯形结构允许稳定的分子电荷状态，从而产生显着不同的电导率水平，从而使多状态切换成为可能。

这种材料满足单分子电子器件所需的几乎所有要求：它在环境条件下稳定，可以多次循环开/关，具有导电性(尽管不如金属导电)并且具有不同的分子状态被利用。

“研究人员一直在努力缩小晶体管的尺寸，以将尽可能多的晶体管安装在半导体芯片上，通常使用硅等无机材料，”李说。“另一种方法是使用单分子材料等有机材料来传导电子并取代无机材料。”本研究中使用的梯型结构显示出有望用作单分子晶体管的功能材料。

目前，单分子电子学仅使用分子的一个单元，但可以扩展长度以包含许多重复单元以制造更长的分子线。该团队相信，即使在更长的距离内，该材料仍然具有高导电性。