撰文丨小納米
校審丨晴天
量子干涉效應
“摩爾定律”曾預言，集成電路板上每單位面積可容納的硅基電子元件數目每隔12~24個月便會翻一倍，電子元件性能也會相應提升一倍。然而電子元件的尺寸不可能無限制縮小，為了突破集成電路微納加工工藝的物理極限，科學家們思考采用“自下而上”的發展模式制備電子元件，即以分子為基本電學器件構筑電子電路，使集成電路的電子元件尺寸縮小至納米乃至亞納米的極限尺寸。
當分子器件的尺寸縮小至納米尺度時，宏觀體系下的歐姆定律不再適用，而是表現為電子通過分子時多個分立軌道透射系數的疊加，即單分子電輸運的量子干涉效應，類似于光的雙縫干涉現象。當透射系數的疊加高于分子前線軌道的貢獻時，會產生相增量子干涉效應（Constructive QuantumInterference, CQI），提升單分子電輸運能力；反之，會產生相消量子干涉效應（Destructive Quantum Interference，DQI），降低單分子電輸運能力。量子干涉效應作為分子在量子尺度下的獨特特性，對于設計和制備高性能的單分子電學器件具有重要意義。
然而，根據傳統的量子疊加規則，中性雙平行通道分子體系的電導理論上僅比單通道體系的電導大4倍，因此如何發展一種簡便、可行的調控策略以進一步提升雙通道體系的電輸運效率是現階段研究量子干涉效應的核心挑戰。
新突破，打破量子疊加傳統機制
近日，美國西北大學的J. Fraser Stoddart教授課題組與廈門大學洪文晶教授課題組和麥吉爾大學郭鴻教授課題組合作，借助具有飛安級電學測量精度和亞納米級位移控制靈敏度的單分子電學測量技術，開展了基于帶電大環分子體系的量子干涉效應研究，并提出了一種全新的自門控（self-gating）的量子干涉機制，實現了超過50倍的單分子電導調控。
第一作者：陳洪亮、鄭海寧、胡晨
通訊作者：J.Fraser Stoddart、洪文晶、郭鴻
通訊單位：美國西北大學、廈門大學、加拿大麥吉爾大學
研究亮點：
1. 構建了基于帶電大環分子的雙通道分子內電路，
2. 實現全新的自門控（self-gating）量子干涉機制，打破傳統量子疊加規則的理論限制；
3 利用通道間強靜電相互作用實現了超過50倍的單分子電導調控。
在此研究工作中，作者以帶電大環分子為研究體系，深入探究其在單分子尺度下的量子干涉規律，如圖1所示。由于雙通道體系內強的靜電相互作用，在電輸運過程中兩個通道間會產生相互的“gating”效應，使分子的最低未占據軌道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO）向金屬費米能級的方向偏移，造成近共振輸運過程（Near-Resonant Transport），極大程度地提升雙通道體系的電輸運能力，使其不再受制于量子疊加規則的限制。
圖1.“self-gating”量子干涉機制的理論示意圖
為了深入探究環狀芳烴體系在單分子尺度下的量子干涉規律，作者以掃描隧穿裂結技術（Scanning TunnelingMicroscope Break Junction, STM-BJ）為實驗平臺，研究雙通道和單通道體系電輸運過程的差異。圖2為單分子電學測試結果。實驗結果表明，雙通道體系的電導值約比單通道體系大一個數量級，遠高于量子疊加規則預測的4倍電導差異。此外，他們借助閃爍噪聲技術探究雙通道分子內強靜電相互作用對其電輸運過程的影響，如圖2D和E的插圖所示。閃爍噪聲的測試結果顯示，單通道分子的電輸運過程符合“through-bond”機制，即電子穿過分子的透射路徑主要通過化學鍵輸運；而雙通道分子的電輸運過程則符合“through-space”機制，即電子主要由通道間非化學鍵作用進行輸運，進一步驗證了通道間門控效應在其電輸運過程中的重要貢獻。
圖2.單通道和雙通道體系單分子電學測試結果
為了探究不同類型通道間靜電相互作用對其電輸運過程的影響，作者進一步合成了三種不同骨架的環狀芳烴衍生物，如圖3所示。單分子電學表征結果表明，雙通道環狀芳烴體系的電輸運過程由相增量子干涉效應（CQI）和“self-gating”效應協同決定，并受分子長度、扭轉角和芳香性等因素影響，雙通道環狀芳烴分子的電導增強最大可達53.7倍。
圖3. 不同類型通道間靜電相互作用的單分子電導測試結果
為了進一步探究自門控調控量子干涉效應的理論機制，作者借助密度泛函理論計算研究了上述環狀芳烴衍生物的電荷傳輸特性。結果表明，由于兩通道間相互的門控效應，雙通道體系的LUMO能級可向費米能級的方向偏移，增強了分子與金屬電極的共振輸運并降低隧穿勢壘，進而大幅提升雙通道體系的電荷傳輸能力。
圖4. 單通道和雙通道體系的密度泛函理論計算結果。
小結
在此研究工作中，作者依托于高電學測量精度和位移調控靈敏度的掃描隧穿裂結技術，首次提出一種基于自門控的量子干涉機制，使得雙通道分子體系的電導相較于單通道體系提升超過50倍，打破傳統量子疊加規則的理論限制。這一跨學科的研究成果驗證了分子軌道間強靜電相互作用對其電輸運過程的重要作用，為未來設計和制備高性能的單分子電學器件提供了重要的理論依據。
該研究成果以“GiantConductance Enhancement of Intramolecular Circuits through Interchannel Gating”為題發表于Matter上（Matter 2020, 10, 3872）。美國西北大學FraserStoddart教授、廈門大學洪文晶教授，加拿大麥吉爾大學郭鴻教授為該工作的共同通訊作者，文章的共同第一作者分別是西北大學陳洪亮博士，廈門大學鄭海寧，麥吉爾大學胡晨博士。該工作得到了來自科技部、國家自然科學基金委等基金的支持。
參考文獻
HongliangChen, et al. Giant Conductance Enhancement of Intramolecular Circuits throughInterchannel Gating. Matter (2020).
DOI:10.1016/j.matt.2019.12.015
https://www.sciencedirect.com
