【物化】双电层中局域阳离子调控的可逆单分子开关- 大数跨境

X-MOL资讯

2023-06-20

导读：浙江师范大学周小顺团队首次在羧酸分子结中成功实现了相同分子骨架中局域阳离子控制的可逆单分子开关

利用单个分子构建功能器件有望突破半导体器件微型化发展的瓶颈，也是分子电子学的核心目标。其中实现可控的单分子开关是信息存储、逻辑数据操纵和信号处理等方面的关键步骤。在过去的四十年里，设计单分子开关的常用方法是使用具有刺激-响应的分子骨架，利用光、力学、pH值、化学反应物、磁和电等多种外部刺激在单分子水平上实现电信号的高效切换。然而，这通常需要复杂的有机合成来获得具有刺激响应分子骨架，且大多数外部刺激方法不能应用于全电驱动的电路组件。如何通过分子-金属接触作用影响电子传输，在保持分子主干不变的情况下原位控制分子-电极接触实现可逆分子开关目前仍充满挑战。

浙江师范大学周小顺团队首次在羧酸分子结中成功实现了相同分子骨架中局域阳离子控制的可逆单分子开关则很好的克服了这一挑战。通过控制电位改变界面双电层中局域阳离子的分布，发现电极电位远小于零电荷电位（PZC）时，羧基会与金属阳离子发生配位，抑制分子结的形成，阻碍电荷传输，实现电导“OFF”状态；当电位远高于PZC时，羧酸分子会完全去质子化形成-COO^-，有助于分子结的形成，实现电子传输（“ON”状态）。并对三种羧酸分子的电导循环测试说明局域阳离子调控的分子开关具有很好的循环稳定性和普适性。本研究为通过栅电极实现可逆单分子开关实际应用开辟了新的途径。

图1. STM-BJ技术和拉曼光谱探究不同电位下羧酸分子在Au(111)表面吸附的界面模型示意图。

壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱发现在-0.5 V时可以观察到1387 cm^-1和1397 cm^-1金属阳离子与Au(111)表面-COO^-基团发生配位的拉曼谱峰。随着电位的升高该拉曼峰强度逐渐减弱最后消失。与此同时，ν_s(COO^-)拉曼峰强度上升，进一步证实双电层中局域离子的分布，可以影响羧酸分子状态，从而实现调节羧酸分子与金针尖的接触作用。进一步I-t测试，发现0 V时电流会发生跃变到高值，此时对应于开关“ON”状态，而电位控制在-0.5 V时，则只观察到了基线电流及其波动。同时I-V（V为电极电位）测试结果也表明，在电位负向或正向扫描过程中，电流会跳变到低值或高值。这对应于分子结的断裂和形成，且电流绝对差值与单分子电导测量结果一致，进一步证明局域阳离子调控可逆单分子开关的可行性。

图2. 原位拉曼谱图和局域阳离子调控可逆单分子开关性能测试

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的通讯作者是浙江师范大学化学与材料科学学院周小顺教授和王亚浩副教授，2020级硕士研究生童凌、2022级博士研究生俞宙和高怡静博士为论文的共同第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Local cation-tuned reversible single-molecule switch in electric double layer

Ling Tong, Zhou Yu, Yi-Jing Gao, Xiao-Chong Li, Ju-Fang Zheng, Yong Shao, Ya-Hao Wang, Xiao-Shun Zhou

Nat. Commun., 2023, 14, 3397, DOI: 10.1038/s41467-023-39206-w

研究团队简介

周小顺，教授，博导，入选国家级青年人才计划，现任浙江师范大学物理化学研究所所长。2003年本科毕业于浙江大学化学系，2009年毕业于厦门大学化学系物理化学专业，获博士学位。随后赴法国巴黎高师化学系从事博士后研究，于2009年加入浙江师范大学工作至今。主要从事单分子电子学、扫描隧道显微术、电化学和表面增强拉曼等相关研究，近年来主持国家自然科学基金项目6项，同时主持浙江省自然科学基金杰出青年基金1项，已以通讯作者身份在Nat. Commun. 、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Nano Lett.、J. Phys. Chem. Lett.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale等期刊上发表研究论文。

课题组招聘青年教师（有编制，条件优秀者可聘“双龙学者”特聘教授），欢迎具有分子电子学、扫描隧道显微镜等相关背景的优秀博士加入本课题组。

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王亚浩，副教授，硕导，2019年博士毕业于厦门大学化学系，导师为李剑锋教授，2019年底加入浙江师范大学工作至今。现主要从事原位电化学拉曼光谱界面分析和单分子电子学研究，已以第一作者和通讯作者身份在 Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed (3篇)、 J. Phys. Chem. Lett. 、Anal. Chem.、 ACS Appl. Mater. Interfaces、 J. Mater. Chem. C、 Electrochim. Acta等国际期刊上发表论文22篇,撰写英文专著一章，主持国家自然科学基金青年项目和浙江省自然科学基金一般项目各一项。

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