科研进展丨厦门大学洪文晶教授Angew：超分子电子学的表征和应用

    近日，厦门大学化学化工学院洪文晶教授应Angewandte Chemie 期刊的邀请，系统地总结了分子电子学领域中超分子电子学方向的实验研究进展及应用，相关论文以“Characterization and Application of Supramolecular Junctions” 为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。如何构筑单个超分子器件并从大量数据中提取有效数据进行定量分析一直是超分子电子学发展面临的重大挑战。因此，综述首先介绍了在纳米电极间构筑单个超分子结的几种典型实验策略，包括可进行高通量表征的断裂结技术和稳定性高的静态结技术，并总结了近几年在表征超分子结电学、力学、电机械性质和组装动力学等方面数据分析方法的新进展。

图1. 综述框架示意图：基于分子间相互作用力超分子结的实验表征及应用研究

图2. 两种断裂结技术示意图：机械可控裂结技术（a）和 扫描隧穿裂结技术（b）；（c）基于分子间相互作用力（上）和共价键（下）构筑分子结的静态结技术；（d）层间裂结技术。

图3. （a）导电原子力显微镜裂结技术；（b-e）交流调制扫描隧穿裂结技术。

    接下来，综述重点对几种典型的非共价相互作用，包括π-π相互作用、氢键和主客体相互作用的电子输运性质、调控及动力学研究进行了系统总结和探讨。此外，综述还对洪文晶教授课题组近期发表的非共轭分子之间存在σ-σ相互作用的研究工作进行了概述。实验研究发现环己烷分子间存在通过σ-σ相互作用的分子间输运，并且其电子输运能力与苯环间π-π堆叠作用相当。

图4. （a）π-π相互作用具有与共价键相当甚至更强的电子输运能力（a-b）且分子共轭面积会影响二聚体组装概率（c）；π-堆叠二聚体的量子干涉效应研究（d-f）;葫芦脲腔内构筑π-堆叠二聚体的实验研究（g-i）。

图5. （a-d）系列氢键超分子结的构筑及其分子结长度和电导；（e-g）电荷辅助氢键的研究。

图6. （a-b）主客体相互作用对分子结电导的影响；（c-d）单分子水平下机械拉伸对主客体相互作用的调控研究。

图7. （a）通过σ- σ相互作用构筑超分子结示意图；苯硫醇（b）和环己硫醇（c）电导测试结果直方图显示二者电导相当；（d）1-金刚烷硫醇和金刚烷电导和分子结长度图；（e）1-金刚硫醇分子结高中低电导对应的三种分子结构型。

    在上述分子间相互作用力研究的基础上，综述对超分子电子器件在单分子传感、二极管及超分子晶体管方面的应用研究进行了总结和讨论。文章最后一节对超分子电子器件的发展趋势及面临的挑战进行了展望。主要包括以下三个方面：一是多维表征技术的发展，比如机械、光学、热和具有更高时间分辨率的电子自旋特征研究；二是加强对超分子体系新奇量子现象的探索；三是发展提高超分子器件稳定性和自愈能力的技术和策略。未来，对超分子电自学的理解必将展示出超越传统分子器件的优越性质，并对化学、物理、生物、材料和信息科学等相关学科的发展产生积极影响。

    论文第一作者为厦门大学化学化工学院博士后李晓慧，厦门大学化学化工学院2021级硕士研究生葛文慧、郭殊涵及材料学院白杰副教授参与了论文撰写等工作，通讯作者为洪文晶教授。