随着我们的设备变得越来越小，使用分子作为电子电路的主要组件变得越来越重要。在过去的 10 年中，研究人员一直在尝试使用单分子作为导线，因为它们具有小尺寸、独特的电子特性和高可调性。但在大多数分子导线中，随着导线长度的增加，电子通过导线传输的效率呈指数下降。这种限制使得构建长分子线(比纳米长得多)变得特别具有挑战性，它实际上可以很好地导电。
哥伦比亚大学的研究人员今天宣布，他们已经制造出一种 2.6 纳米长的纳米线，随着线长的增加，其电导率异常增加，并且具有准金属特性。其优异的导电性为分子电子学领域提供了广阔的前景，使电子设备变得更小。该研究今天发表在《自然化学》上。
分子线设计
来自哥伦比亚大学工程学院和哥伦比亚大学化学系的研究人员团队，与来自德国的理论家和中国的合成化学家一起，探索了在两端支持不成对电子的分子线设计，因为这些线将形成拓扑绝缘体的一维类似物。 TI)，它们的边缘高度导电，但中心绝缘。
虽然最简单的一维 TI 仅由末端碳支持自由基态(未配对电子)的碳原子构成，但这些分子通常非常不稳定。碳不喜欢有不成对的电子。用氮代替自由基所在的末端碳增加了分子的稳定性。“这使得由碳链制成但以氮终止的一维 TI 更加稳定，我们可以在室温和环境条件下使用这些 TI ，”该团队的联合负责人 Latha Venkataraman 说，他是劳伦斯·古斯曼应用物理学教授和化学教授。
打破指数衰减规则
通过化学设计和实验的结合，该小组创建了一系列一维 TI，并成功打破了指数衰减规则，这是一个量以与其当前值成比例的速率减少的过程的公式。使用这两种激进的边缘状态，研究人员产生了一条通过分子的高导电通路，并实现了“反向电导衰减”，即随着导线长度的增加电导增加的系统。
“真正令人兴奋的是，我们的导线具有与金金属-金属点接触相同的电导率，这表明分子本身显示出准金属特性，”Venkataraman 说。“这项工作表明，有机分子在单分子水平上可以表现得像金属，这与过去它们主要是弱导电的情况不同。”
研究人员设计并合成了一种双(三芳基胺)分子系列，通过化学氧化表现出一维 TI 的特性。他们对单分子结进行了电导测量，其中分子连接到源电极和漏电极。通过测量，研究小组表明，较长的分子具有较高的电导率，直到导线长度超过 2.5 纳米，即人类 DNA 链的直径。
为分子电子学的更多技术进步奠定基础
“Venkataraman 实验室一直在寻求了解物理、化学和单分子电子设备工程的相互作用，”Liang Li 博士补充道。实验室的学生，也是该论文的共同第一作者。“因此，创造这些特殊的电线将为理解这些新系统中的运输的重大科学进展奠定基础。我们对我们的发现感到非常兴奋，因为它们不仅揭示了基础物理学，而且揭示了未来的潜在应用。”
该小组目前正在开发新的设计，以制造更长且仍然具有高导电性的分子线。
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