研究新型电子设备分子连接处的相互作用

东京工业大学研究人员最近进行的一项研究表明，具有非共价相互作用的分子连接结构在电子传输中起着关键作用。通过同步表面增强拉曼散射和电流-电压测量，他们发现萘硫醇分子的单个二聚体连接表现出三种不同的键合，即π-π分子间相互作用、穿过π和穿过空间的分子-电极相互作用。

π-π相互作用是一种非共价相互作用，当芳环或π共轭分子系统的π轨道中的电子云重叠时发生。这种相互作用使得电子在分子之间有效移动，为设计具有独特电子特性的材料提供了潜力。这些分子形成的连接结构在电子传输中起着决定性作用。然而，这些结的结构信息不足使得在结构和电子传输特性之间建立明确的关系具有挑战性。

为了解决这一知识差距，由东京工业大学(Tokyo Tech)助理教授 Satoshi Kaneko 和副教授 Tomoaki Nishino 领导的一组日本研究人员最近制造了萘硫醇 (NT) 分子和使用光学和电学组合测量对其结构和电子传输特性进行了详细检查。他们的研究最近发表在《化学会杂志》上。

研究人员首先在涂有聚酰亚胺层的磷青铜板上沉积金电极来制造结。接下来，他们有选择地去除金电极中心区域下方的聚酰亚胺材料，形成独立结构。最后，他们将含有 NT 的乙醇溶液滴加到基板上，从而形成连接金电极的单层 NT 分子。

制造出结后，研究人员利用机械可控断裂结技术同时进行原位表面增强拉曼散射(SERS)和电流电压测量(I-V )。“随后对测得的振动能量和电导值进行相关分析，从而能够识别 NT 连接中的分子间和分子-电极相互作用以及传输特性，”Kaneko 博士解释道。

电流-电压测量揭示了不同的高电导率和低电导率状态。高电导态源自NT-单体连接，其中分子通过直接π键与金电极直接相互作用，而低电导态则是由于分子间π-π相互作用形成的NT二聚体而出现。

然而，考虑到振动能量和电导，证实了结处的三种不同结构，分别对应于高电导状态和两个低电导状态。当二聚体和单体构型的萘环通过π耦合直接与金电极相互作用时，形成高导电结。相反，萘环和金电极之间通过空间耦合的弱相互作用导致弱导电结。

“同时应用 SERS 和 IV 技术可以区分 NT 分子连接中的各种非共价相互作用，揭示其电子传输特性。此外，功率密度谱也揭示了非共价特征，”西野博士强调说。

因此，目前的发现为 π-π 相互作用提供了重要的见解，可以为在未来电子设备和技术的设计中利用芳香族分子铺平道路。