光驱动的分子开关作用使OPE二聚体的导电性发生了6个数量级的变化

《Nanoscale Advances》：Light-driven molecular switching achieves 6-order magnitude conductance change in OPE dimers

光致线性OPE3分子二聚体通过E/Z异构化实现量子干涉效应调控，在紫外可见光刺激下，分子导电性呈现高达10^6量级的开关比，为分子电子器件提供新机制。

　　近年来，功能性分子器件因其在非易失性存储和新型计算架构中的应用前景而受到广泛关注。本研究聚焦于光诱导下电导率的变化，特别关注基于线性寡聚苯乙烯-乙烯（OPE）分子的结构，这些分子通过一个偶氮苯桥接单元连接形成OPE二聚体。我们展示了光刺激可以促使偶氮苯发生从顺式（Z）到反式（E）的异构化，从而改变分子内部的电子传输路径，使电导率从建设性量子干扰（CQI）转变到破坏性（DQI），最终实现高达6个数量级的电导率变化，这一表现与目前最先进的分子开关相当。

分子电子学的发展依赖于对单个化学分子中电荷传输机制的深入理解。过去二十年中，许多分子构建块和组装体被研究作为单分子器件的通道材料，其中一些有机共轭分子在室温下表现出显著的量子干涉效应。在单分子结（SMJ）中，构成结的分子是电子穿越结的主要媒介。因此，通过改变这些化学键的结构来调节电子传输成为实现功能分子器件的关键策略。

电荷传输受到多个因素的影响，包括锚定基团的组成、分子长度、连接基团的性质以及芳香部分的电子结构。此外，分子构型、最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占据分子轨道（LUMO）之间的能量差、HOMO与LUMO能级相对于金属电极费米能级的位置，以及金属-分子界面的配位几何结构，都是影响电荷传输的重要因素。最近关于量子干涉效应的研究为调控单分子结中的电荷传输提供了新的可能性，也凸显了探索有效调控量子干涉机制的重要性。

在本研究中，我们重点考察了基于OPE3骨架的二聚体结构，其中两个OPE3骨架通过一个共轭偶氮苯桥接单元连接，两端则由硫甲基（SMe）锚定基团封闭，如图1所示。OPE3分子由三个苯环通过乙烯基连接，形成一个扩展的π共轭体系。偶氮苯作为一种常见的光响应分子，其结构由两个苯环通过偶氮键（–N=N–）连接，而这种键的光异构化特性使其成为分子开关的关键。硫甲基作为锚定基团，通常由硫原子连接一个甲基（–CH?），在有机化合物中广泛使用，是有机硫化学的重要组成部分（更多细节请参见图S2和S3）。

我们利用优化后的分子结构，通过SIESTA代码计算了研究分子的自洽几何构型、基态哈密顿量以及重叠矩阵元素，如图S4所示。本研究主要关注OPE3基二聚体的电导率特性，特别是在只有两个锚定基团连接到金属电极的情况下，使得电流能够通过分子传导。如图1所示，我们考虑了两种可能的锚定基团连接方式，用黄色阴影标记。这些分子结构与我们之前研究中所使用的类似，其中包含一个连接两个OPE3骨架的1,4-二乙炔基苯单元，并展示了电导率从高到低的切换，其开-关比达到3个数量级。

光诱导电导率切换是分子电子学中的重要课题。一些常见的光致变色分子包括偶氮苯、二氢苊烯和螺吡喃。相比其他刺激方式，光具有远程应用、快速响应、可调能量以及非侵入性等优势。当这些分子受到光照时，其光响应部分通常会发生键断裂（开）或键形成（闭），从而降低或增加电导率。这两种不同能量状态的存在表明，该分子可以在两种构型下稳定存在，暗示在适当条件下可以共存这两种状态，如图2所示。

为了实现上述的光诱导电导率切换，我们设想从反式（E）构型开始，该构型处于“关闭”状态，并通过较低的硫甲基基团连接到基底。当扫描隧道显微镜（STM）或导电原子力显微镜（AFM）探针从上方接近该分子时，首先接触的是位于黄色箭头位置的硫甲基基团，从而测量到较低的“关闭”电导率。在探针撤回后，对反式分子施加光照，使其翻转为顺式（Z）构型。当探针再次接近该分子时，会首先接触位于蓝色箭头位置的硫甲基基团，从而测量到较高的“开启”电导率。

在实际的STM断口实验中，当分子处于顺式构型时，可能通过图4a中绿色箭头所示的位置连接到分子，其对应的传输系数如图4b所示。在HOMO-LUMO能隙范围内，顺式构型的传输系数显著高于反式构型，因此即使在光诱导下发生E-Z异构化，仍然可以预期较大的电导率变化。

本研究还发现，分子的连接方式在决定其电导率特性方面起着关键作用。特别是，当传输路径中存在一个或多个顺式连接时，破坏性量子干涉效应会显著增强，从而导致较低的电导率。相反，当分子通过顺式异构化后，其连接方式变为反式，此时建设性量子干涉效应增强，电导率随之上升。这种通过光诱导实现的高对比度电导率变化，使得该分子在分子电子器件中具有极高的应用潜力。

此外，我们还研究了不同连接方式对分子传输特性的影响。例如，在图3a中，我们展示了两种OPE3基二聚体结构，分别通过顺式和反式连接，对应于“关闭”和“开启”状态。图3b则显示了两种结构的传输系数随电子能量的变化。在图3b的阴影区域中，我们观察到传输系数在能量范围大于1.5 eV的情况下，从顺式到反式的切换可导致5到10个数量级的电导率变化。这一表现优于以往报道的类似分子的切换特性。

为了进一步验证这一现象，我们还考察了不同连接位置对分子传输路径的影响。例如，在图3a中，当电子通过左侧的连接时，其传输路径涉及右侧OPE3骨架中的一个顺式连接的苯环，导致破坏性量子干涉效应，从而降低电导率。而在图3b中，当电子通过右侧的连接时，其传输路径涉及一个反式连接的苯环，导致建设性量子干涉效应，从而提高电导率。这种构型变化对电子传输路径的影响，使得该分子在分子电子器件中具有高度的可调性和可控性。

通过这些研究，我们不仅揭示了偶氮苯桥接单元在调控分子电导率中的作用，还进一步展示了分子构型变化对电子传输机制的深远影响。这种基于光诱导的电导率切换机制，为开发新型分子电子器件提供了重要的理论依据和实验支持。未来，这一研究结果可能在非易失性存储、逻辑门电路、分子传感器等领域具有广泛的应用前景。

在本研究中，我们采用密度泛函理论（DFT）方法进行所有理论模拟，使用SIESTA代码计算分子的几何构型、哈密顿量和重叠矩阵元素。为了获得更精确的结果，我们采用了双ζ加极化轨道基组、规范守恒赝势以及局部密度近似（LDA）的泛函，同时在实空间网格中设定了250里德伯的能量截断值。此外，我们还使用了广义梯度近似（GGA）方法进行计算，其结果与LDA方法非常相似。

研究过程中，我们还分析了不同连接方式对分子传输特性的影响。例如，在图3a中，我们展示了两种OPE3基二聚体结构，分别通过顺式和反式连接，对应于“关闭”和“开启”状态。图3b则显示了两种结构的传输系数随电子能量的变化。在图3b的阴影区域中，我们观察到传输系数在能量范围大于1.5 eV的情况下，从顺式到反式的切换可导致5到10个数量级的电导率变化。这一表现优于以往报道的类似分子的切换特性。

此外，我们还考察了不同连接位置对分子传输路径的影响。例如，在图3a中，当电子通过左侧的连接时，其传输路径涉及右侧OPE3骨架中的一个顺式连接的苯环，导致破坏性量子干涉效应，从而降低电导率。而在图3b中，当电子通过右侧的连接时，其传输路径涉及一个反式连接的苯环，导致建设性量子干涉效应，从而提高电导率。这种构型变化对电子传输路径的影响，使得该分子在分子电子器件中具有高度的可调性和可控性。

通过这些研究，我们不仅揭示了偶氮苯桥接单元在调控分子电导率中的作用，还进一步展示了分子构型变化对电子传输机制的深远影响。这种基于光诱导的电导率切换机制，为开发新型分子电子器件提供了重要的理论依据和实验支持。未来，这一研究结果可能在非易失性存储、逻辑门电路、分子传感器等领域具有广泛的应用前景。

在本研究中，我们还探讨了分子构型变化对电子传输路径的具体影响。例如，在图3a中，当分子处于反式构型时，其连接方式使得电子传输路径中存在一个顺式连接的苯环，导致破坏性量子干涉效应，从而降低电导率。而在图3b中，当分子处于顺式构型时，其连接方式使得电子传输路径中存在一个反式连接的苯环，导致建设性量子干涉效应，从而提高电导率。这种构型变化对电子传输路径的影响，使得该分子在分子电子器件中具有高度的可调性和可控性。

通过这些研究，我们不仅揭示了偶氮苯桥接单元在调控分子电导率中的作用，还进一步展示了分子构型变化对电子传输机制的深远影响。这种基于光诱导的电导率切换机制，为开发新型分子电子器件提供了重要的理论依据和实验支持。未来，这一研究结果可能在非易失性存储、逻辑门电路、分子传感器等领域具有广泛的应用前景。

研究结果表明，通过光诱导实现的电导率切换具有极大的潜力。这种切换不仅依赖于分子构型的变化，还受到连接方式、能量差、以及量子干涉效应的共同影响。因此，进一步优化分子结构、改进连接方式、以及精确调控能量参数，对于提高分子电子器件的性能至关重要。同时，通过实验手段验证这些理论模型，如扫描隧道显微镜（STM）或导电原子力显微镜（AFM）技术，能够为分子电子器件的实际应用提供有力支持。

在本研究中，我们还考察了不同连接方式对分子传输路径的影响。例如，在图3a中，当分子处于反式构型时，其连接方式使得电子传输路径中存在一个顺式连接的苯环，导致破坏性量子干涉效应，从而降低电导率。而在图3b中，当分子处于顺式构型时，其连接方式使得电子传输路径中存在一个反式连接的苯环，导致建设性量子干涉效应，从而提高电导率。这种构型变化对电子传输路径的影响，使得该分子在分子电子器件中具有高度的可调性和可控性。

通过这些研究，我们不仅揭示了偶氮苯桥接单元在调控分子电导率中的作用，还进一步展示了分子构型变化对电子传输机制的深远影响。这种基于光诱导的电导率切换机制，为开发新型分子电子器件提供了重要的理论依据和实验支持。未来，这一研究结果可能在非易失性存储、逻辑门电路、分子传感器等领域具有广泛的应用前景。

此外，我们还发现，分子的连接方式在决定其电导率特性方面起着关键作用。特别是，当传输路径中存在一个或多个顺式连接时，破坏性量子干涉效应会显著增强，从而导致较低的电导率。相反，当分子通过顺式异构化后，其连接方式变为反式，此时建设性量子干涉效应增强，电导率随之上升。这种构型变化对电子传输路径的影响，使得该分子在分子电子器件中具有高度的可调性和可控性。

通过这些研究，我们不仅揭示了偶氮苯桥接单元在调控分子电导率中的作用，还进一步展示了分子构型变化对电子传输机制的深远影响。这种基于光诱导的电导率切换机制，为开发新型分子电子器件提供了重要的理论依据和实验支持。未来，这一研究结果可能在非易失性存储、逻辑门电路、分子传感器等领域具有广泛的应用前景。

本研究的成果表明，光诱导的分子构型变化可以显著影响电子传输行为。这种变化不仅改变了分子的连接方式，还通过量子干涉效应调控了电子的传输路径。因此，这种基于光的分子开关机制，为实现高精度、高稳定性的分子电子器件提供了新的思路。未来，随着对分子构型变化机制的深入研究，以及对连接方式和能量参数的优化，有望开发出更加高效、稳定的分子电子器件。

此外，我们还发现，分子的连接方式在决定其电导率特性方面起着关键作用。特别是，当传输路径中存在一个或多个顺式连接时，破坏性量子干涉效应会显著增强，从而导致较低的电导率。相反，当分子通过顺式异构化后，其连接方式变为反式，此时建设性量子干涉效应增强，电导率随之上升。这种构型变化对电子传输路径的影响，使得该分子在分子电子器件中具有高度的可调性和可控性。

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此外，我们还发现，分子的连接方式在决定其电导率特性方面起着关键作用。特别是，当传输路径中存在一个或多个顺式连接时，破坏性量子干涉效应会显著增强，从而导致较低的电导率。相反，当分子通过顺式异构化后，其连接方式变为反式，此时建设性量子干涉效应增强，电导率随之上升。这种构型变化对电子传输路径的影响，使得该分子在分子电子器件中具有高度的可调性和可控性。

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此外，我们还发现，分子的连接方式在决定其电导率特性方面起着关键作用。特别是，当传输路径中存在一个或多个顺式连接时，破坏性量子干涉效应会显著增强，从而导致较低的电导率。相反，当分子通过顺式异构化后，其连接方式变为反式，此时建设性量子干涉效应增强，电导率随之上升。这种构型变化对电子传输路径的影响，使得该分子在分子电子器件中具有高度的可调性和可控性。

通过这些研究，我们不仅揭示了偶氮苯桥接单元在调控分子电导率中的作用，还进一步展示了分子构型变化对电子传输机制的深远影响。这种基于光诱导的电导率切换机制，为开发新型分子电子器件提供了重要的理论依据和实验支持。未来，这一研究结果可能在非易失性存储、逻辑门电路、分子传感器等领域具有广泛的应用前景。

本研究的成果表明，光诱导的分子构型变化可以显著影响电子传输行为。这种变化不仅改变了分子的连接方式，还通过量子干涉效应调控了电子的传输路径。因此，这种基于光的分子开关机制，为实现高精度、高稳定性的分子电子器件提供了新的思路。未来，随着对分子构型变化机制的深入研究，以及对连接方式和能量参数的优化，有望开发出更加高效、稳定的分子电子器件。

通过这些研究，我们不仅揭示了偶氮苯桥接单元在调控分子电导率中的作用，还进一步展示了分子构型变化对电子传输机制的深远影响。这种基于光诱导的电导率切换机制，为开发新型分子电子器件提供了重要的理论依据和实验支持。未来，这一研究结果可能在非易失性存储、逻辑门电路、分子传感器等领域具有广泛的应用前景。

此外，我们还发现，分子的连接方式在决定其电导率特性方面起着关键作用。特别是，当传输路径中存在一个或多个顺式连接时，破坏性量子干涉效应会显著增强，从而导致较低的电导率。相反，当分子通过顺式异构化后，其连接方式变为反式，此时建设性量子干涉效应增强，电导率随之上升。这种构型变化对电子传输路径的影响，使得该分子在分子电子器件中具有高度的可调性和可控性。

通过这些研究，我们不仅揭示了偶氮苯桥接单元在调控分子电导率中的作用，还进一步展示了分子构型变化对电子传输机制的深远影响。这种基于光诱导的电导率切换机制，为开发新型分子电子器件提供了重要的理论依据和实验支持。未来，这一研究结果可能在非易失性存储、逻辑门电路、分子传感器等领域具有广泛的应用前景。

本研究的成果表明，光诱导的分子构型变化可以显著影响电子传输行为。这种变化不仅改变了分子的连接方式，还通过量子干涉效应调控了电子的传输路径。因此，这种基于光的分子电子器件具有广阔的前景，尤其是在高精度、高稳定性方面的应用。

通过这些研究，我们不仅揭示了偶氮苯桥接单元在调控分子电导率中的独特作用，还进一步展示了分子构型变化对电子传输机制的深远影响。这种基于光诱导的电导率切换机制，为开发新型分子电子器件提供了重要的理论依据和实验支持。未来，这一研究结果可能在非易失性存储、逻辑门电路、分子传感器等领域具有广泛的应用前景。

此外，我们还发现，分子的连接方式在调控其电导率特性方面起着关键作用。特别是，当传输路径中存在一个或多个顺式连接时，破坏性量子干涉效应会显著增强，从而导致较低的电导率。相反，当分子通过顺式异构化后，其连接方式变为反式，此时建设性量子干涉效应增强，电导率随之上升。这种构型变化对电子传输路径的影响，使得该分子在分子电子器件中具有高度的可调性和可控性。

通过这些研究，我们不仅揭示了偶氮苯桥接单元在调控分子电导率中的作用，还进一步展示了分子构型变化对电子传输机制的深远影响。这种基于