探究分子导线中电荷隧穿的机制对于理解单分子尺度下的逻辑电路至关重要。研究表明，改变分子导线中原子电负性可以在减轻分子结构变化的同时有效地调控电荷传输，例如：吡啶结构中氮原子的电负性会因质子化而改变，从而显著地改变了前线轨道上的电荷分布，最终调控了体系的电荷输运机制。然而，在芳香体系中，氮原子上的电荷在共轭效应的作用下分布较为离散，严重阻碍了对通道上电荷输运与氮原子电负性变化之间关联的理解。
近日，厦门大学洪文晶教授课题组与中科院福建物质结构研究所陈忠宁研究员课题组在《Small》上发表题为“Transport Modulation Through Electronegativity Gating in Multiple Nitrogenous Circuits”的合作研究论文。该研究设计合成了一系列含有氮原子的单通道分子（Sg）与另一系列具有两条含氮通道的双通道分子（Db），并利用扫描隧道显微镜分子结裂结（STM-BJ）技术表征了两个系列分子的单分子电导。通道内氮原子的电负性改变通过三氟乙酸质子化各分子中的氮原子实现。研究结果表明，被质子化的氮原子会改变其电负性，而更负的电负性会降低分子的电导。相较于单通道系列分子（Sg），具有双通道结构的分子（Db）其电导下降更为显著。功率频谱密度(PSD)分析与理论计算结果表明，在双通道结构中更显著的电导下降源于被质子化的氮原子其上电负性的变化会延伸到分子的骨架上，造成了其前线轨道分布形成局部的定域，从而阻碍了分子上的电荷传输。此研究对具有不同通道数量与不同电负性分子的电荷传输性质的探索，为设计制备分子器件提供了新的理论与实验支撑。
图1（a）利用扫描隧道显微镜分子结裂结技术测定单分子电导的示意图
（b）具有单/双通道的分子结构示意图。
（c）计算得到各分子中氮原子上的Mulliken电荷。
（d）各分子中与氮原子相邻亚甲基上的核磁氢谱。
图2（a）包含双通道结构分子的典型电导-距离曲线
（d）包含单条通道结构分子的典型电导-距离曲线。
（b-c）包含双通道结构分子的一维电导图。
（e-f）包含单条通道结构分子的一维电导图。
图4（a）各分子实验测得电导值与计算得到氮原子上的Mulliken电荷关系曲线
（b-c）各分子的HOMO与LUMO分布。
该研究是在厦门大学洪文晶教授、刘俊扬副教授与中科院福建物构所陈忠宁研究员、张潜翀副研究员的共同指导下完成的。厦门大学博士后段平、王亚平、陈力川、福建物构所与上科大联培博士生屈恺为论文共同第一作者。
