分子电子学旨在利用单个分子作为功能元件，追求电子设备微型化，构建未来计算机的核心基础。在微观量子世界中，电子不仅具有粒子性，更表现出波动性。当电子穿越分子时，其波函数会沿不同路径传播并发生干涉：若波峰与波峰叠加，即形成相增量子干涉（Constructive Quantum Interference, CQI），可显著提高电导；若波峰与波谷相遇，则产生相消量子干涉（Destructive Quantum Interference, DQI），如同在电路中形成一道“量子屏障”，大幅抑制电导，限制器件性能。传统调控手段，如微调分子结构或施加外场，通常在一个数量级左右调节电导，难以满足高性能分子器件的发展需求。
图1. 该研究论文的图片摘要。
相消量子干涉体系的一个特征是存在反向电流，正是由于反向电流的存在抵消了主通道的电荷迁移效率。针对这一问题，兰州大学张浩力教授团队与英国兰卡斯特大学Colin J. Lambert教授合作，创造性地提出通过阻断反向电流产生从而提升分子电导的思路。
为了验证该策略的可行性，研究团队设计了多种分子体系。如图2所示，所有分子均基于交叉共轭体系设计。理论模拟表明，间位取代苯环中抑制电导的反向环流主要集中于苯环的4、5、6号位。研究团队采用β-二酮结构取代苯环，通过分子内氢键破坏原有共轭，同时维持六元环拓扑结构。通过引入硼原子配位构建能级可调控的稳定环状结构。这些分子设计的巧妙之处在于，它们在保持六元环整体构型的基础上，从化学层面切断了反向电流所需的共轭通道。同时，硼原子的引入可像“调控旋钮”一样精确调节分子能级。单分子电导测试结果表明，通过采用阻断反向电流的策略，成功地将交叉共轭体系中的DQI转变为CQI，使电导提升达两个数量级。该成果发表于国际期刊Angew. Chem. Int. Ed.。
图2. 分子设计（左图）以及理论示意图（右图）。（右图自上至下）分子结构示意图、单分子结前线轨道能级、基于轨道积规则的量子干涉模式分析、电子传输路径模拟图。
该研究的精彩之处是展示了一种新颖的反直觉的分子设计。将分子中苯环替换成非芳香性的六元环结构单位，看似降低了分子的共轭性，实际上却能够显著提高分子电导。该研究揭示了一个分步协同的分子电导调控机制：首先，通过破坏局部共轭“拆除”DQI屏障，为DQI向CQI转变奠定基础；其次，借助硼配位优化能级对齐，有效降低分子LUMO能级，使其与金电极费米能级匹配，从而放大“抑制反向电流”策略对电导的提升效果，增强电子隧穿效率。二者协同作用下，交叉共轭体系成功实现从DQI到CQI的转变，电导提升高达两个数量级。
该研究提出并验证了一种全新的分子电导调控策略，将量子干涉的研究视角从传统轨道分析拓展至对电流传输路径的直接调控，为开发高开关比分子开关、高灵敏度分子传感器及高效分子晶体管奠定了重要基础。
本文的第一作者为兰州大学化学化工学院博士研究生吴顺达与硕士研究生刘姝彤，通讯作者为兰州大学天然产物化学全国重点实验张浩力教授以及英国兰卡斯特大学Colin J. Lambert教授。
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Breaking Interference-Driven Reversal Currents to Boost Single-Molecule Conductance
Shun-Da Wu, Shu-Tong Liu, Zi-Ming Cai, Bing Sun, Xiao-Di Liu, Li-Yu-Yang Shi, Colin J. Lambert, Hao-Li Zhang
Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202520318
研究团队简介
张浩力教授主要研究方向为新型有机电子材料与光学材料的设计、合成与器件制备。在Sci. Adv., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Mater.等学术杂志上发表SCI论文300余篇。先后有2篇论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”，多篇论文被国际学术刊物与网站作为研究亮点报道。张浩力教授曾荣获亚洲化学会“Asian Rising Stars”、“甘肃省自然科学一等奖”、“中国侨界(创新人才)贡献奖”等奖项。获自然科学基金委杰出青年基金资助，入选科技部科技创新人才推进计划、“万人计划”科技创新领军人才。现为英国皇家化学会会士（FRSC），中国化学会纳米化学专业委员会副秘书长，甘肃省化学会青年化学工作委员会副主任委员，Chem. Soc. Rev.、《中国化学快报》、《物理化学》编委，英国皇家化学会材料领域期刊J. Mater. Chem. C和Mater. Adv.副主编，享受国务院政府特殊津贴。
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