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投稿心得｜王金鑫、赵永杰《Science Advances》—单体组成和序列可控聚合物单层导电研究

Posted 26-45-2023

2022年12月，我们与中国科学院长春应用化学研究所李茂研究员课题组合作，采用电化学迭代合成方法制备了单一取向的聚合物结晶单层并研究了序列可控聚合物的导电性质。相关研究成果 “Composition and Sequence-Controlled Conductance of Crystalline Unimolecular Monolayers” 为题发表于国际学术期刊Science Advances上。

01论文简述

该工作成功地证明了同步电化学合成和结晶调控作为一种有效的方法可以最大限度抑制聚合物结构紊乱，并研究了齐聚物和聚合物单层的组成和序列控制的电荷输运特性，证明单体组成和序列是丰富薄膜导电功能和优化导电性能高效途径。利用镓铟合金作为针尖表征其电学性质并I-V性质扫描，发现随着金属种类和数量的变化，这些单分子薄膜表现出丰富的非线性导电行为，具有可控的电流迟滞、NDR效应、开关比、(非)平衡态，以及记忆电阻特性和记忆电容特性之间的自由转换。具体地，单层薄膜电流密度和开关比具有四个数量级调控能力。NDR效应评价参数R_PtV和R_on/off最高值分别是15.8和1000，与当前报道最高值相当。而单体简单的变换顺序，会使单一NDR响应的阻变曲线转变为多NDR响应的NDR阻变曲线。单一取向聚合物结构具有分子内优先电荷传输能力，限制了导电灯丝的生成和断裂的随机性和不稳定性，有利于制备高重现性微纳分子材料和器件。

图1：论文TOC: （A）导电灯丝的随机生成与断裂；（B）聚合物单层稳定的导电通道；（C）EGaIn电极测试测试示意图；

（D）分子氧化还原态；（E）序列可控合成示意图。聚合物单层稳定的导电通道利于制备高重现性的微纳尺寸材料和器件

02投稿心得

该论文与应化所李茂老师课题组合作共同完成，于2023年02月13日提交，历时一个多月收到审稿意见，该工作非常幸运的收到了三位专家的小修意见，但我们也并没有掉以轻心。对于审稿人的疑问，能够用数据和实验说明的部分我们也进行了数据上的补充，并附加到了正文与SI中。在没有办法进行补充实验时，也尽可能地增加了带有高可信度参考文献的逻辑严谨的解释。每一条意见都认真回复，每一条都不能掉以轻心，在经过一轮审稿意见回复及大家的共同努力之后，最后于05月12日接收，投稿整体来说比较顺利。

对于该项工作能被顺利接收，我们有以下几点感想：

1.重视跨学科之间的合作与交流

单兵作战绝对不是做好科研的绝佳途径，对于一个课题的研究，合作和交流是必不可少的。该工作的第一作者王金鑫师兄来自于长春应化所李茂老师课题组，为了更加严谨表征单分子层性质，深入数据的处理与相关分析，王金鑫师兄多次出差来到我们实验室进行学习交流，期间我们协调分工，共同完成了实验部分，并在后续的数据分析、讨论方面相互学习，最终由师兄独立完成了文章的撰写工作。师兄在材料制备，分子性质等方面的经验让我受益匪浅，收获颇多。2021年我们便开始了与李茂老师课题组的第一次合作，研究了有序生长的单分子层膜的电学性质，相关工作发表在Cell Reports Physical Science期刊（Cell Rep. Phys. Sci. 2022, 3, 100852），2022年我们在该合作上基础上进一步加深了交流，利用动态的固相迭代电合成方法构建多单元结晶聚合物单分子纳米结构，通过表征其电学性质I-V，发现了由多重电荷状态引起的NDR效应和回滞现象等独特的现象，相关工作发表在Angewandte Chemie International Edition期刊（Angewandte Chemie-International Edition, 2023, 62, e202216838），这不禁让我们思考，如果对单体中的金属核进行调控或者说多层序列进行调控会不会表现出不同的性质呢？于是，紧接着上述工作我们对该聚合物进行了金属种类和序列的调控，发现由于单一取向聚合物结构具有分子内优先电荷传输能力，限制了导电灯丝的生成和断裂的随机性和不稳定性，从而可以释放出丰富的电参数，并优化多级电阻器件的功能和性能。这些晶体单层作为处于分子取向极端状态的理想非线性材料，对于深入理解基础物理和实际分子电子学是必要的。一个好的科研成果离不开多方面的合作，更离不开交叉学科之间的相互交流。

2. 文章的正确切入点

该文章在早期曾尝试多个期刊，但由于该工作的材料合成和器件性能测试几乎平分秋色，既想展现材料的迭代合成方法又想突出其在分子电子学领域的应用前景，从而导致该工作在材料领域以及单分子电子学领域都不够具有特色。但文章后期经过指导导师们对文章整体逻辑的重新构造以及创新点的提取后，使得我们在投稿过程中才会这么顺利。