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在單分子尺度深入理解有機共軛分子的光激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)和電子輸運性質(zhì)，一直是化學(xué)和單分子電子學(xué)領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)之一。近日，我?；瘜W(xué)與分子工程學(xué)院、費林加諾貝爾獎科學(xué)家聯(lián)合研究中心田禾院士團隊在振動誘導(dǎo)發(fā)光（Vibration Induced Emission, VIE）機制研究方面取得新的進展，將VIE動態(tài)響應(yīng)從宏觀水平的光信號表達拓展到了單分子尺度的電信號輸出。相關(guān)研究成果以“Photoconductance fromBent-to-Planar Photocycle between Ground and Excited States in Single-MoleculeJunctions”為題發(fā)表于《美國化學(xué)會志》。

振動誘導(dǎo)發(fā)光是一種有機共軛分子發(fā)光的新機制，由田禾院士團隊在研究二氫二苯并吩嗪（DPAC）類分子獨特的發(fā)光現(xiàn)象時提出（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 8509; Chem. Commun., 2015,51, 4462）。近五年，團隊圍繞DPAC類衍生物獨特的基態(tài)/激發(fā)態(tài)分子形變和構(gòu)型依賴光物理性質(zhì)，開展了一系列構(gòu)效關(guān)系研究及材料性能應(yīng)用（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139,1636; Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 9880; CCS Chem.,2021,3,2239; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 2855; Chem, 2021, 7,1544; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 4883; Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61,e202116414等），為有機共軛分子結(jié)構(gòu)的高效設(shè)計和應(yīng)用性能的拓展提升奠定了堅實的理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)。

一般來說，共軛發(fā)光分子在短波長光的持續(xù)照射下，會連續(xù)不斷的發(fā)射出長波長光，這歸因于光照下的共軛分子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間存在分子構(gòu)型/電子云排布的互變循環(huán)過程。同時，共軛分子的電導(dǎo)性也與共軛路徑和電子云排布密切相關(guān)。因此，基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的光循環(huán)過程是可以引發(fā)分子光電導(dǎo)信號。但是，由于納米級檢測技術(shù)和經(jīng)典模型分子的缺失，使得一直無法有效探究激發(fā)態(tài)分子骨架演變與光電導(dǎo)之間的構(gòu)效關(guān)系。為了深入研究這一過程，田禾院士團隊通過修飾DPAC分子，借助掃描隧道顯微鏡裂結(jié)（STM-BJ）技術(shù)，成功構(gòu)建單分子器件。在340nm紫外光的持續(xù)照射下，器件的統(tǒng)計電導(dǎo)提升至初始值的3倍，是已報道單分子器件的最高光電導(dǎo)數(shù)據(jù)。理論計算表明，光誘導(dǎo)的分子結(jié)構(gòu)彎曲-平面化循環(huán)過程導(dǎo)致電子分布顯著變化，從而引起Fano共振，并產(chǎn)生光電導(dǎo)。此工作不僅提出了光電導(dǎo)單分子器件的構(gòu)建新策略，還為理解有機共軛分子基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的光循環(huán)過程提供了全新視角。

該工作主要由鄒祺副教授和張志云特聘研究員在田禾院士的指導(dǎo)下完成，并得到了曲大輝教授和蘇建華教授的大力支持。在光電導(dǎo)理論計算方面得到了廈門大學(xué)洪文晶教授和周彧博士的支持。博士生陳炫穎、金鑫和王瑞以及本科生邱瑾在分子合成、光譜表征和單分子測試方面提供了許多幫助和支持。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、材料生物學(xué)與動態(tài)化學(xué)教育部前沿科學(xué)中心、上海市科技重大專項、上?？茖W(xué)技術(shù)委員會、費林加諾貝爾獎科學(xué)家聯(lián)合研究中心等資金支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c03671

參考資料：https://news.ecust.edu.cn/_s4/2022/0601/c8a166638/page.psp