我校生环学院肖胜雄教授课题组在Nature发表论文 单分子绝缘体研究领域获重 ...

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我校生环学院肖胜雄教授、美国哥伦比亚大学Colin Nuckolls 教授、Latha Venkataraman 教授、以及丹麦哥本哈根大学Gemma Solomon 教授通力合作，通过对环硅烷分子电子结构的调控，开发了一种具有破坏性量子干涉效应的Si[222]桥环硅烷材料，有效降低了分子电导，实现了在1 nm以下的单分子超级绝缘，在单分子尺度上阻止了量子隧穿。研究成果以“Comprehensive suppression of single-molecule conductance using destructive σ-interference”（通过破坏性的σ键量子干涉实现单分子电导的全面抑制）为题，于2018年 6月6日在Nature（《自然》）上发表，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0197-9。该成果的取得是我校近年来在加强科研创新平台及学科建设、推进高水平研究团队建设方面所取得重要成果的一个缩影，充分体现了我校在一流学科建设中的特色和优势。




摩尔定律预测半导体器件的尺寸会越来越小，然而当硅电子器件的尺寸从宏观状态演化到小分子尺度比如单个有机硅分子时，量子效应将起到主导作用，宏观下的电学规律将不再适用，比如量子隧穿效应等将使摩尔定律面临挑战。




图：电子在硅单分子导线中隧穿时的波函数衰减情况及电子传导情况：A）直链硅烷分子线Si4、模拟真空缝隙硅分子线Si4-cut和桥环硅烷分子线Si[222]三种分子的结构示意图；B）三种分子导线在电子隧穿过程中的波函数衰减示意图；C）分子导线中的电子传导通道示意图，箭头的粗细与电子传导元素的强度成正比，而箭头颜色则代表传输方向，红色箭头表示有效的电子传导，蓝色箭头表示破坏性的量子干涉。


通过扫描隧道显微镜断裂分子结(STM-BJ)测试（与美国哥伦比亚大学合作完成），结合密度泛函计算（与丹麦哥本哈根大学合作完成），从本质上解释了电导与分子结构的关系，并发现Si[222]具有破坏性的d-键量子干涉效应（图C中蓝色箭头所示），在单分子电导测试中显示出超级单分子绝缘性能（图B所示），其单分子电导甚至低于同等尺寸的绝对真空。本研究通过电子结构的调控，首次实现了破坏性的σ键量子干涉效应，为摩尔定律突破到单分子级别提供了可行性支持，对单分子电子学以及量子计算机等研究领域具有重要意义。


丹麦哥本哈根大学博士生Marc Garner、美国哥伦比亚大学博士生Haixing Li以及上海师范大学硕士生陈艳同学为论文的共同第一作者，上海师范大学肖胜雄教授、美国哥伦比亚大学Colin Nuckolls 教授、美国哥伦比亚大学 Latha Venkataraman 教授、以及丹麦哥本哈根大学Gemma Solomon 教授为论文共同通讯作者。




陈艳（2014级）和上官之春（2012级）两位硕士研究生在读期间为该课题付出了很大的努力。陈艳现在巴斯夫工作，上官之春现在上海交通大学读博士研究生。


供稿：科技处、生命与环境科学学院
编辑：新闻中心