半導體領域的摩爾定律預示了器件小型化甚至微型化的趨勢🛝，使人們的目光逐漸聚焦到分子電子學這一新興領域。目前，單分子電路導電元件的研究大多數都是基於共軛單元構築分子導線💞🧝🏿‍♀️，並且通常通過相幹和非共振機製進行傳導。但在這種情況下，電導率會隨著分子導線長度的增加呈指數下降💂🏻‍♂️。因此，自 1980 年代以來，人們提出了構建具有反向電導衰減的分子導線的設想，也就是說🙏🏻，分子線的電導率隨著長度的增加而增加🏊🏿‍♂️💁🏽。在此類研究中，實現反常電導-長度關系的一種方法是設計具有雙自由基特征的分子線，使其遵循有機一維拓撲絕緣體的Su-Schrieffer-Heeger (SSH)模型（例如聚乙炔）。在過去的一系列工作中，人們已經嘗試使用聚甲炔👨‍🔧、cumulenes和卟啉低聚物等作為單分子導線。然而，這些分子的電子傳輸與 SHH 模型中預期的電導量子 (G₀ = 2e²/h) 相去甚遠。為了開發基於 SHH 模型的導線🔂，設計擴展的 π 共軛體系，以實現高導電的雙自由基特性，以及穩定的結構特征使末端自由基與環境絕緣，是亟待解決的難題🤙🏼。

意昂3官网化學與化工學院的尹曉東特別研究員一直以來對於具有氧化還原活性的有機分子在單分子電子學上的性質和應用有著濃厚的興趣📑。在美國進行博士後研究期間就與美國哥倫比亞大學 (Columbia University) 的Latha Venkataraman教授和Luis M. Campos教授合作發表關於氧化還原調控分子芳香性從而導致電導大幅增加的研究意昂3平台 ( Science Advances, 2017,  3 : eaao2615)😿🎄。而在本工作中🏭，尹曉東特別研究員與Venkataraman教授，Luis M. Campos教授以及德國雷根斯堡大學 (University of Regensburg) Ferdinand Evers教授等人開展合作，系統研究了一系列含有低聚苯橋的雙（三芳基胺）分子導線在電中性，一價和二價陽離子狀態的單分子電學性質。相關工作於近期發表在化學類國際頂級期刊Nature Chemistry上（ Nat.   Chem.  2022✌🏼，10.1038/s41557-022-00978-1）。

圖1 含低聚苯橋的雙（三芳基胺）分子導線(B1-B4)，及其電化學和光譜性質

研究表明該類分子導線可被氧化為一價和二價陽離子，結合其光譜特性可知，二價陽離子導線表現出在氮原子上帶有末端自由基陽離子的醌型特征，類似於 SSH 模型中描述的聚乙炔線。

圖2 Bn、Bn⁺ 和 Bn²⁺ 系列的電導測量

研究人員基於STM-BJ測試平臺系統研究了該類分子導線在不同氧化態的單分子電導性質。其中，B3²⁺分子導線顯示出明顯高於 0.1 G₀ (2e²/h, 電導量子）的超高電導率🧑‍🦳，相比其中性分子高 5400 倍，且分子導線長度達到2.6 nm。研究人員也觀察到氧化後的陽離子型分子導線呈現電導與導線長度的負相關特征，分別為b(B1-3⁺)=""-0.9/苯👨🏿‍🏭；b(B1-32+)=-0.3/苯👩🏼‍🎓🥨，表明該類分子導線具有SSH模型描述的一維拓撲絕緣體特征🚶🏻‍♀️。此外，研究人員也觀察到了B4分子導線在氧化之後並沒有延續前三個分子導線的電導趨勢🎱🙆‍♀️，而是表現出了明顯的下降，這也說明了基於SSH模型的分子導線電導性質與長度有較強的相關性。

圖3 中性 Bn分子導線的電子輸運性質計算🚚🔭。

圖4 氧化的 Bn⁺ 和 Bn²⁺ 系列分子導線的電子輸運性質計算🧚🏼‍♀️。

Ferdinand Evers教授等人也通過DFT 計算闡明了前沿自由基的軌道離域導致了觀察到的非經典準金屬行為👨🏽‍🎤，關於B4的計算也能夠與實驗數據較好的吻合。從理論上驗證了實驗結果，以及基於SSH模型的一維拓撲絕緣體與分子導線長度的相關性。

該工作通過簡單的分子體系設計🧔🏻，精密的分子電子學測試😸，以及嚴謹的理論計算支持，實現了具有超高電導率和負電導衰減的長有機分子導線🫄🏿🫲🏽。一系列結果表明其具有基於SSH模型的一維拓撲絕緣體特性💭，為分子電子元件的設計提供了重要的理論和實驗依據🚣‍♀️，有望推動分子電子學領域從理論到實際應用的進一步發展🧑🏻‍🚀。