分子导线和分子开关研究进展

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1、分子导线和分子开关研究进展摘要：摘要：本文介绍了分子器件中具有代表性的分子导线和分子开关的研究进展，论述了分子导线的结构特点和导电原理，说明了分子开关尤其是荧光分子开关的结构特征，并阐述了分子导线和分子开关的广泛应用。关键词：关键词：分子器件；分子导线；分子开关；超分子引言电子器件经历了真空电子管、晶体管、集成电路和现在的超人规模集成电路四个时期,已经遇到了严峻的挑战。首先，半导体材料的电子性能和加丁已达到自然极限；其次，元件体积越来越小，电阻越来越大，由此导致的元件的热效应限制了集成电路的性能；同时，信息在连接两个芯片Z间的导线内的传递滞后现彖限制了计

2、算机的速度。还有芯片的组装费用过高等问题。解决这些问题的出路就是发展分子器件[1]。分子器件是指分子水平上由光子、电子或离子(总称为介体mediator)操纵的器件⑵。现在主要以超分子化学(Supramolecularchemistry)[3J和分子电子学(Molecularelectronics)[4]等学科的具有纳米尺寸的分子器件为代表。从日前的研究进展来看,凡是无机半导体所具有的功能都能在分子水平上找到相应的器件：如分子整流器，分子晶体管，分子开关，分子二极管等[5]。因此，在分子水平上生产电子器件，以适应计算机科学的进一步发展，己成为当今许多学科

3、进行研究开发的重人课题，其中以分子导线和分子开关倍受人们的关注。1,分子导线，分子导线是分子器件和外界连接的桥梁，对于它一般有以下几个要求：(a)能够导电；(b)有确定的长度；(c)含有能够连接到系统功能单元的连接端点；(d)允许在连接端点进行化学反应；(e)导线必须与周围绝缘以阻止电子的任意传输[6]o超分子化学作为研究分子间非共价键相互作用的化学，其在分子导线的设计上具有其独到的优势。它对分子导线的关注最初来自于从仿生学的角度研究生物媒介的穿膜电了传送TEF(Transmembranceelectrontransfer)[7],这一类型的分了导线在结

4、构上通常都具有如下的特点：a.允许电了传导的兀•共轨长链；b.含有两个极性的、能进行可逆电子交换的活化基团终端；c・链具有足够的长度，可与单分子或双分子膜一类的支撑体的厚度相匹配［8］。1.1传导电子的分子导线人们曾推测生物体系中的类胡萝卜素或聚异戊二烯链可能与TEF有关，因此Lehn教授的最初尝试是将类胡萝卜素的多烯结构与甲基紫的氧化还原特性组合起來，在长链共辘多烯坯两端连上N■取代毗噪基的Caroviologen(CV2+)型分子导线(如图1)［5］.它是众多分子导线Z屮最有代表性一个，大量研究都表明它的长链与双分子膜的厚度相匹配，并且确实可以起到功

5、能化的分子导线作用［9］。图1Caroviologen(CV2+)分子导线1.2非线型光学分子导线以Caroviologen结构为基础，在类胡萝卜素的多烯主链两端不对称地修饰上具有电子授受能力的基团，如苯并二硫、THF(Donor),毗喘、TC-NQ(Acceptor),所得到的高度可极化推■拉型(Push・Pull)分子导线，可以表现出良好的非线型光学特性L1OJo例如Seta等人在模拟光合作用的多步电子转化机制时合成了如图2所示的类胡萝卜素n卜啦.苯ffi(C-P-Q)分子导线，它具有由光诱导产生的长程电子传送特性［ll］o图2类胡萝卜素吓【林■苯醜

6、分子导线1.3离子传导隧道型分子导线从大量环状化合物和载体分子的选择性键合作用中得到的信息为设计离子性分子器件提供了基础.无论是通过人环化合物在管状中间相有组织的堆积，还是通过1聚人环单元的轴向桥连，都可以形成分子管束，从而为离子的输送提供隧道［12］。带有适当取代侧链的人环多胺沿与环平面垂直的轴向堆积所形成的盘状分子(如图3),可以在膜间形成管状中间相，从而成为一种传导离子型分子导线［13］。图3曲大环多胺盘状液品分子形成的分子管束George等在研究套索^(Lariatether)的超分子体系时非常巧妙地设计出了一种如图4所示的阳离子传导隧道(Cat

7、ionconductingchannel)［14］o套索即连接在冠瞇环上的侧臂(Sidearms),这种侧臂的桥连增加了冠储对阳离子的络合作用，从而形成了环环相串的阳离子传导隧道。图4由套索瞇桥连形成的阳离子传导隧道将数条链嫁接到构成有序的中间核多官能大环分子支撑单元上，可以得到一种结构独特的Chundle型穿膜离子隧道［12］。Chundle的意思可理解为"隧道束二即(Channel+bundle)(如图5)。这种分子是-种有组织的、官能化的纳米结构，对中心大环化合物进行适当的修饰和选择后,它可在分子离子器件方面表现出极大潜力。2图5Chundle型分

8、子导线示意图2,分子?所谓分子开关泛指结构上组织化了的具有“开/关,，功能的化学