CCS Chemistry | 郭雪峰/贾传成课题组：单分子原位研究烷烃和金电极在固液界面处的范德…

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近日，郭雪峰、贾传成课题组与合作者利用基于扫描隧道显微镜的裂结技术（STM-BJ）在单分子水平上研究了固液界面处烷基链和金电极间范德华（vdW）作用的电学和力学特征，在亚甲基水平上揭示了烷基链/金vdW接触的电荷传输机理和力诱导下烷基链在金表面的脱附过程。研究发现烷基链/金vdW接触中存在两个清晰的电荷传输通道，且在外力作用下烷基链以两个亚甲基为结构单元从金表面脱附。此外，偏压电场可以调节烷基链/金vdW接触的导电能力和结合强度，更大的电场导致更小的界面接触电阻和更高的结合强度。

背景介绍：

vdW作用作为一种最普遍存在的分子（物质）间弱相互作用，其介导的有机分子/金属界面广泛应用于化学催化、界面科学和有机电子学等领域。准确表征有机分子/金属vdW接触有助于更好地研究并利用其微观界面的固有特性，在科学技术和工程应用等方面具有重要意义。然而，目前在单分子水平上多维度表征固液界面处弱相互作用仍具有挑战性。

本文亮点：

首先，作者利用STM-BJ技术，将具有单端强锚定基团的1-辛硫醇分子通过Au-S键连接到金针尖，烷烃链部分在金表面受外力诱导脱附时呈现出四个清晰的电导态。

图1. 1-辛硫醇单分子结的电学特性

理论计算表明1-辛硫醇分子结断裂过程中，以两个亚甲基为单位从金电极表面脱附，分子结电导逐步降低。而且，在1-辛硫醇/金vdW连接中，存在两个不同的电荷传输通道：一个沿着最短的C-H/Au锚定路径，另一个沿着整个吸附的烷基链在电极之间通过。且当两个传输通路均进入偏压窗口后，C-H/Au路径对分子结电导起主要贡献。

图2. 1-辛硫醇/金 vdW接触的电荷传输机制

为了区分vdW接触和共价接触，作者利用1,8-辛二硫醇分子构筑了具有对称共价Au-S接触的单分子结，并进行了实验和计算研究。该分子断裂结表现出单一的电导态。此外，噪声谱测试进一步表明，1,8-辛二硫醇和金电极间的电荷传输方式主要是通过键耦合，而不是1-辛硫醇分子结中发现的通过空间传输。

图3. 1,8-辛二硫醇单分子结的电学特性

进一步，为探究偏压对烷烃/金 vdW接触的影响，分别测试0.1 V和0.4 V偏压下的电导态特征。实验发现大偏压下烷烃/金vdW接触具有较高的单分子成结效率和电导。结合理论计算表明偏压通过偏压电场对分子的极化效应调节了vdW接触的导电能力和结合强度。

图4. 1-辛硫醇/金vdW接触的偏压依赖性

总结与展望：

综上所述，本文利用STM-BJ技术研究了单个烷烃分子和金电极间vdW作用的电学和力学特征。在亚甲基水平上揭示了外力诱导下烷基链在金表面的脱附过程，以及烷烃/金vdW接触的电荷传输机制。进一步地，本文验证了偏压电场对vdW作用的调控机理。该研究促进了我们对vdW接触的基本理解，而且对探索其它弱相互作用和推进分子科学研究具有重要意义。

该工作以Research Article的形式发表在CCS Chemistry。天津大学与南开大学联合培养博士生句宏宇，南开大学王进莹博士，湖南大学研究生刘旺平和南开大学研究生郝杰是文章的共同第一作者。北京大学郭雪峰教授、南开大学贾传成教授、湖南大学陈克求教授、厦门大学Andrew C.-H. Sue 教授、天津大学梅坤荣教授为共同通讯作者。本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、北京自然科学基金、北京分子科学国家实验室、中央高校基本科研专项资金和南开大学新物质创造前沿科学中心的联合资助。

文章详情：

Single-Molecule Characterization of van der Waals Contact Between Alkane and Gold

Hongyu Ju†, Jinying Wang†, Wangping Liu†, Jie Hao†, Mengmeng Li, Yanxia Xu, Boyu Wang, Suhang He, Kunrong Mei*, Andrew C.-H. Sue*, Keqiu Chen*, Chuancheng Jia* and Xuefeng Guo*

Cite this by DOI: 10.31635/ccschem.024.202403861

文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.024.202403861

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原标题：《CCS Chemistry | 郭雪峰/贾传成课题组：单分子原位研究烷烃和金电极在固液界面处的范德华作用》

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