随着我们的电子设备尺寸缩小，物理限制开始影响硅微芯片上晶体管密度的预期增加，这与摩尔定律相符，后者预测约每两年晶体管数量翻一番。分子电子学——利用单个分子作为电子设备基本组件的概念——为继续缩小小型电子设备的趋势提供了一个有前景的方法。这些设备对电流流动的控制要求严格，但单个分子的变化特性使得设备效率和可重复性变得复杂。
伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的研究人员提出了一种创新的方法来管理分子导电性，他们采用了具有刚性结构的分子，特别是形状持久的梯形分子。他们还展示了一种简单的“一锅”合成这些类型分子的方法，已经应用于创建一种蝴蝶形分子，展示了他们在调节分子导电性方面方法的多样性。
这项开创性的研究由材料科学与工程系的查尔斯·施罗德教授、化学与生物分子工程教授与博士后刘小林和研究生杨浩共同领导，他们的研究结果发表在《自然化学》期刊上。
“在分子电子学方面，我们必须考虑分子的灵活性和运动如何影响其功能属性，”施罗德表示。“事实证明，这种灵活性在这些分子的电子特性中发挥着重要作用。为了解决这个问题，并保持在分子形状不变的情况下稳定的导电性，我们的目标是开发具有刚性骨架的分子。”
分子电子学中的一个重要障碍是许多有机分子表现出灵活性，可以采用各种形状——称为分子构象——每种构象可能导致不同的电导性。刘指出：“对于具有多种形状的分子，导电性可能有很大差异，甚至相差1000倍。我们决定专注于梯形分子，因为它们保持稳定的刚性形状，这使我们能够实现一致且可靠的分子接合导电性。”
梯形分子由一个未断裂的化学环系列组成，环内共享的原子帮助“锁定”分子成特定形状。这种结构增强了形状持久性，并限制了分子的旋转程度，减少了导电性变化。
一致的导电性至关重要，特别是考虑到长远目标是将分子电子学应用于实际设备。这需要数十亿个具有相同电子特性的组件。杨进一步解释道：“不一致的导电性一直是分子电子设备成功商业化的障碍。生产所需的大量相同组件并控制接合处的分子导电性是具有挑战性的。如果我们能够掌握这一点，将极大地加速电子设备的微型化。”
该团队为这些形状持久的分子设计了一种独特的一锅合成方法，生产多种化学多样化和带电的梯形分子。传统的合成通常依赖于昂贵的初始材料，并涉及两种成分的反应，这限制了最终的多样性。相比之下，这种一锅模块合成使用更简单和广泛可获得的初始材料。“这使我们可以探索多种初始材料的组合，并创造出适合分子电子学的丰富多样的分子，”刘表示。
此外，刘和杨将他们从梯形分子中获得的见解应用于创建和分析一种蝴蝶形分子的电子特性。这些分子具有两个类似翅膀的结构，由化学环组成，与梯形分子类似，它们具有固定的骨架和有限的旋转。这种方法将促进其他功能材料的发展，最终导致更可靠和高效的电子设备。
查尔斯·施罗德还与化学和生物工程系、材料研究实验室以及伊利诺伊大学贝克曼先进科学与技术研究所合作。
刘小林与化学系和贝克曼先进科学与技术研究所相关联。
杨浩是材料科学与工程系和贝克曼先进科学与技术研究所的一员。
其他参与本研究的贡献者包括杰弗里·S·摩尔（化学与材料科学与工程系，贝克曼先进科学与技术研究所，伊利诺伊大学），华金·罗德里格斯-洛佩斯（化学系，贝克曼先进科学与技术研究所，伊利诺伊大学），钱晨（化学与材料科学与工程系，贝克曼先进科学与技术研究所，伊利诺伊大学），阿道夫·I·B·罗莫（化学系，贝克曼先进科学与技术研究所，伊利诺伊大学），奥利弗·林（化学系，伊利诺伊大学），托比·J·伍兹（化学系，伊利诺伊大学），拉贾尔希·萨马贾达尔（化学与生物分子工程系，贝克曼先进科学与技术研究所，伊利诺伊大学），哈桑·哈卜（阿贡国家实验室材料科学部）和拉吉夫·S·阿萨里（阿贡国家实验室材料科学部）。
本研究得到了美国能源部科学办公室的支持。
