清華新聞網(wǎng)11月2日電 近日，清華大學(xué)化學(xué)系李遠(yuǎn)副教授、許華平教授及車輛學(xué)院張亮副教授課題組在單分子自組裝膜的制備與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面取得了新進(jìn)展，報(bào)道了一種利用硒為錨接基團(tuán)的單分子自組裝膜，研究了其結(jié)構(gòu)性質(zhì)及穩(wěn)定性，并探索了這類單分子自組裝膜具有長時(shí)間穩(wěn)定性的機(jī)理。
隨著電子器件尺寸的日益減小，電荷傳導(dǎo)溝道納米化正面臨著巨大挑戰(zhàn)。為此，科學(xué)界提出采用單分子自組裝膜（SAMs）制備電子器件，從而實(shí)現(xiàn)電子器件尺寸和性能上的突破。然而，由于分子器件電流密度對(duì)分子結(jié)構(gòu)非常敏感，單分子自組裝膜的質(zhì)量極大地影響了分子器件的性能。傳統(tǒng)單分子自組裝膜利用硫醇作為錨接基團(tuán)，然而硫-金鍵穩(wěn)定性較差，在空氣條件下，硫-金鍵會(huì)迅速氧化斷裂，導(dǎo)致單分子自組裝膜結(jié)構(gòu)被破壞，甚至從金屬表面脫附。
Se-SAMs生長過程及穩(wěn)定性示意圖
針對(duì)這一問題，研究團(tuán)隊(duì)以硒代替硫醇作為錨接基團(tuán)，由于具有相同的最外層電子，硒同樣也可以在金屬上進(jìn)行自組裝生長，但由于硒和硫在范德華半徑上的差異，硒-金鍵強(qiáng)度強(qiáng)于相應(yīng)的硫-金鍵。研究人員選擇使用二硒醚作為前體在基底上形成具有高度致密性的自組裝膜，其表現(xiàn)出更強(qiáng)的空氣穩(wěn)定性。
研究團(tuán)隊(duì)采用二硒（Se）鍵替代硫醇，成功設(shè)計(jì)并制備了在金表面的硒自組裝單分子層（Se-SAMs）。這些硒自組裝單分子層展現(xiàn)出與傳統(tǒng)硫醇自組裝單分子層（S-SAMs）相當(dāng)?shù)闹旅芙Y(jié)構(gòu)，利用多種分析技術(shù)（如STM、XPS和隧穿電流檢測(cè)），驗(yàn)證了硒自組裝單分子層的高度有序性、穩(wěn)定性和均勻性，其覆蓋密度約為10分子·nm–2，其電學(xué)性質(zhì)能夠在實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境中保持穩(wěn)定長達(dá)200天，表明其具有優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性。通過光譜學(xué)和電學(xué)表征，發(fā)現(xiàn)硒-金鍵的氧化過程比硫-金鍵慢且難以從表面脫附。XPS監(jiān)測(cè)揭示硒自組裝單分子層的氧化始于60至80天左右，但在氧化過程中其表面覆蓋度保持相對(duì)穩(wěn)定。通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算和COHP分析顯示，相較于硫醇自組裝單分子層，硒自組裝單分子層具有更強(qiáng)的硒-金結(jié)合能和較弱的氧親和力，解釋了其高穩(wěn)定性的原因。研究結(jié)果表明，硒替代硫在自組裝膜中具有潛在的應(yīng)用前景，對(duì)表面修飾和材料科學(xué)領(lǐng)域有重要意義。
相關(guān)研究成果以“用于空氣穩(wěn)定性分子結(jié)的超長壽命單分子自組裝膜”（Extreme long-lifetime self-assembled monolayer for air-stable molecular junctions）為題，于10月18日發(fā)表在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）期刊上。
清華大學(xué)化學(xué)系副教授李遠(yuǎn)、教授許華平，車輛學(xué)院副教授張亮為論文共同通訊作者，化學(xué)系2020級(jí)博士生陳寧玥、車輛學(xué)院2020級(jí)博士生李樹偉、化學(xué)系2018級(jí)博士生趙鵬為論文共同第一作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金與清華大學(xué)篤實(shí)計(jì)劃的資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh3412
供稿：化學(xué)系
題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：李華山
審核：郭玲
