西安交大何刚教授团队 在空间共轭紫精环蕃单分子电子学方面取得重要进展

分子电子学是突破硅基电子器件小型化物理极限、推动器件尺度向分子层级迭代的核心研究方向，对研发下一代超高集成度电子元器件、构筑新型电子信息体系具有重要战略价值。当前，如何精准设计兼具优异成结稳定性与可控电荷传输性能的功能分子体系，已然成为制约单分子电子学从基础研究走向实用化应用的核心技术瓶颈。空间共轭材料依托独特的空间p电子离域特性及外电场可调的导电性能，是构筑单分子器件的潜在功能单元。但该类材料存在固有短板：空间电子耦合作用较弱，且电子传输性能对分子构象变化高度敏感，极易引发器件电导信号波动、工作稳定性不佳等问题，极大限制了其在单分子结体系中的规模化、高效化应用。

针对上述行业共性难题，西安交通大学前沿科学技术研究院何刚教授课题组创新提出“构象锁定-空间共轭增强”的新型分子设计策略，成功创制出刚性折叠型空间共轭紫精环蕃功能分子。该研究巧妙融合强吸电子紫精单元、空间π电子离域效应与构象受限环蕃骨架的多重优势，借助环蕃的刚性结构约束，固定两组π堆叠紫精单元的反平行空间排布，精准锁定空间轨道有效耦合所需的分子间距与空间取向，从根源上抑制分子构象的动态波动，预先构筑出具备稳定电荷传输活性的空间共轭几何构型。

为厘清构象刚性的调控机制，研究团队同步制备了柔性半环空间共轭紫精分子作为对照体系，通过多维度表征与理论模拟，系统揭示了构象刚性对单分子结光电性能的调控规律。研究整合电化学测试、原位高压荧光光谱、扫描隧道显微镜裂结测试（STM-BJ）及非平衡格林函数理论计算（NEGF）等多种手段，成功建立起“构象刚性—空间共轭耦合强度—单分子电导性能”的精准构效关系。

原位高压荧光实验结果证实，刚性闭环环蕃骨架可赋予分子优异的结构稳定性，有效规避构象畸变带来的性能衰减。单分子输运测试表明，该刚性紫精环蕃无需传统末端锚定基团，即可依靠带正电吡啶鎓环与金电极的静电相互作用，构筑高稳定性单分子结；在0.3 V以上的外加偏压下，可稳定呈现电压响应型电导行为，电导峰值可达10^-4.01G₀。理论计算进一步揭示，该体系电荷传输由最低未占分子轨道主导，外加电场可增强折叠骨架内的空间共轭效应，使轨道能级向电极费米能级移动，从而有效提升分子电导。

以上研究成果以《空间共轭紫精环蕃在单分子结中的应用》（Through-Space-Conjugated Viologen Cyclophanes for Single-Molecule Junctions）为题发表在国际化学领域权威期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。西安交通大学前沿院张越巘副教授、博士生毕业生乔易和华南理工大学硕士生吴熔熔为本文共同第一作者，何刚教授、华南理工大学赵祖金教授、吉林大学肖冠军教授为共同通讯作者，西安交通大学为第一完成单位。该工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、陕西省重点研发计划、西安交通大学分析测试共享中心及超算平台等的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c13064

何刚教授课题组主页：https://ganghe.xjtu.edu.cn