化學與分子工程學院的劉培念教授課題組近年來在表面有機反應研究領域取得了一系列重要進展。最近，該課題組與香港科技大學物理系的林念教授課題組和湖南大學應用物理系的陳克求教授課題組在《美國化學會志》（JACS）合作發(fā)表論文“Negative Differential Conductance in Polyporphyrin Oligomers with Nonlinear Backbones”. (J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 570−573.)。
負微分電導（Negative Differential Conductance，NDC）效應是電流隨著偏壓增加而減少的一種現(xiàn)象，因其獨特的性質(zhì)在分子開關、分子放大器、分子存儲器等方面得到了廣泛的應用。在本研究工作中，首先通過超高真空環(huán)境下的表面Ullmann反應在超潔凈的Au(111)表面合成了T型、L型和直線型的聚卟啉分子。然后，通過掃描隧道顯微鏡的針尖操縱，將不同形狀的聚卟啉單分子鏈從Au(111)表面上拉起，可以選擇性地控制電荷在不同形狀的聚卟啉單分子鏈中的傳輸路徑。在此基礎上對單分子鏈的構型、構象以及電荷傳輸路徑對負微分電導效應的影響進行了系統(tǒng)研究。發(fā)現(xiàn)對于T型聚卟啉分子，電荷通過T形單分子結時會產(chǎn)生穩(wěn)定和顯著的NDC效應；對于L型的啉分子，電荷通過90°拐點時會產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)NDC效應，但是通過120°拐點時則不會產(chǎn)生NDC效應；而對于直線型聚卟啉分子，電荷通過時不會產(chǎn)生NDC效應。通過第一性非平衡格林函數(shù)計算，對金屬——分子——金屬單分子結的電荷傳輸進行了模擬，揭示出NDC效應的內(nèi)在機制：（1）基于分子骨架的分子軌道決定了共振電荷傳輸?shù)耐ǖ?；?span lang="EN-US" style="line-height:1.75em">2）分子軌道與電極之間的耦合強度受到外加偏壓的調(diào)控，偏壓越高，耦合強度越弱。這種NDC效應產(chǎn)生機制的新發(fā)現(xiàn)可以為各種具有NDC效應的分子結的構建提供指導和理論根據(jù)，為NDC分子器件的設計開辟了新的路徑。
該研究得到了龍億濤教授和田禾院士領銜的國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目以及NSFC-RGC聯(lián)合項目等的資助。