化學(xué)與分子工程學(xué)院的劉培念教授課題組近年來在表面有機(jī)反應(yīng)研究領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展。最近，該課題組與香港科技大學(xué)物理系的林念教授課題組和湖南大學(xué)應(yīng)用物理系的陳克求教授課題組在《美國化學(xué)會(huì)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(fù)微分電導(dǎo)（Negative Differential Conductance，NDC）效應(yīng)是電流隨著偏壓增加而減少的一種現(xiàn)象，因其獨(dú)特的性質(zhì)在分子開關(guān)、分子放大器、分子存儲(chǔ)器等方面得到了廣泛的應(yīng)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(yīng)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(chǔ)上對單分子鏈的構(gòu)型、構(gòu)象以及電荷傳輸路徑對負(fù)微分電導(dǎo)效應(yīng)的影響進(jìn)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(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定和顯著的NDC效應(yīng)；對于L型的啉分子，電荷通過90°拐點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)NDC效應(yīng)，但是通過120°拐點(diǎn)時(shí)則不會(huì)產(chǎn)生NDC效應(yīng)；而對于直線型聚卟啉分子，電荷通過時(shí)不會(huì)產(chǎn)生NDC效應(yīng)。通過第一性非平衡格林函數(shù)計(jì)算，對金屬——分子——金屬單分子結(jié)的電荷傳輸進(jìn)行了模擬，揭示出NDC效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)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溃唬?span lang="EN-US" style="line-height:1.75em">2）分子軌道與電極之間的耦合強(qiáng)度受到外加偏壓的調(diào)控，偏壓越高，耦合強(qiáng)度越弱。這種NDC效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制的新發(fā)現(xiàn)可以為各種具有NDC效應(yīng)的分子結(jié)的構(gòu)建提供指導(dǎo)和理論根據(jù)，為NDC分子器件的設(shè)計(jì)開辟了新的路徑。
該研究得到了龍億濤教授和田禾院士領(lǐng)銜的國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目以及NSFC-RGC聯(lián)合項(xiàng)目等的資助。