The Chen Group
近日，浙江大学化学系陈洪亮教授课题组与南开大学蔡康教授、厦门大学等团队合作，在分子电子学基础研究领域取得突破性进展。研究团队创新性地设计并构建了一种"三通道平行电路"单分子体系，通过机械调控实现强耦合与弱耦合通道的动态协同，成功开发出可编程、可逆、高频操作的三元分子开关与存储器件。该器件开关比超过 \(10^2\)，切换频率高达 950 Hz，且具备良好的循环稳定性。该研究不仅首次在实验上实现了多通道耦合态的程序化调控，也为解决分子器件中"性能-稳定性"权衡这一长期难题提供了切实可行的混合耦合策略。相关成果以题为"Programmable Charge Transport in a Multichannel Single-Molecule Parallel Circuit"于2025年发表于国际顶级学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。
分子电子学旨在利用单个或少数分子作为核心功能单元，构筑未来超微型、低功耗的电子器件。自上世纪七十年代概念提出以来，科学家已成功演示了分子二极管、晶体管、存储器和量子逻辑器件等多种原型器件。然而，要将分子器件推向实际应用，一个根本性挑战在于如何精确调控分子与金属电极之间的"界面耦合"。
这种耦合如同一把双刃剑：强耦合能提供牢固的物理连接，保证器件稳定，但往往导致分子轨道能级显著偏移与展宽，损害其本征电学特性；弱耦合虽有助于保持分子前沿轨道的高能级位置，利于电荷传输，但却以牺牲结构稳定性和连接重现性为代价。
如何"鱼与熊掌兼得"，在单分子结中同时获得稳健连接和高效率传输，是领域内悬而未决的关键科学问题。
面对这一挑战，研究团队独辟蹊径，不再追求单一的"最强"或"最弱"耦合，而是提出了一种"混合耦合"的全新思路。他们设计并合成了一种结构精巧的三通道大环分子（TPC）。该分子以三个寡聚苯乙炔（OPE）导电通道为骨架，通道中心嵌有吡romellitic二酰亚胺（PMDI）单元，两端则以甲基硫基（-SMe）作为金电极的锚定基团。三个通道通过一个环状三聚体大环连接，形成一个稳定的平行电路架构。
该设计的精妙之处在于：由于分子与电极界面相互作用的复杂性，在形成分子结时，三个通道两端的六个锚定基团同时与电极形成牢固连接的概率极低。因此，在绝大多数情况下，分子结中会自然地共存强耦合和弱耦合的通道。通过外部机械力（如扫描隧道显微镜针尖的拉伸与压缩），可以程序化地在不同耦合构型之间动态切换。
利用高精度的扫描隧道显微镜断裂结（STM-BJ）技术，研究人员系统表征了该分子的电导行为。与单通道对照分子（SPC）只显示一个明确电导平台不同，TPC分子呈现出三个显著不同的电导状态：
高导态（HC）：电导值约 10⁻³·² G₀，对应三个通道均为强耦合，形成稳定的"电子高速公路"。
中导态（MC）：电导值约 10⁻⁴·¹ G₀，对应强弱耦合通道混合构型，其电导曲线表现出快速涨落特征，揭示了多个亚稳态的动态竞争。
低导态（LC）：电导值约 10⁻⁴·⁷ G₀，对应三个通道均为弱耦合，电子传输依赖隧穿，电导最低。
通过施加特定幅度和频率的压电调制方波信号，研究团队成功实现了HC、MC、LC三态之间快速、稳定、可逆的程序化切换，并演示了将其编码为"2、1、0"三元信息位进行写入、存储与读取的功能。闪烁噪声分析进一步证实，TPC的电导涨落特性介于典型的"通过化学键传输"和"通过空间传输"之间，直接印证了其混合耦合机制。
为深入理解实验现象，团队采用非平衡格林函数结合密度泛函理论进行了系统计算。理论模拟清晰地揭示了不同 (m, n)-T 构型下的电子传输谱，完美解释了实验中观察到的三态电导及其切换的物理起源：
(3,0)-T：三个强耦合通道产生展宽的共振峰，量子干涉效应将电导提升至最高。
(2,1)-T 与 (1,2)-T：传输谱中同时出现来自弱耦合通道的尖锐共振峰和来自强耦合通道的宽峰，二者叠加构成了中导态复杂的电导行为基础。
(0,3)-T：仅存在弱耦合通道的离散尖锐共振，由于缺乏强耦合通道的"锚定"和能级拓宽效应，在费米能级附近的电导极低。
此项研究的意义重大且深远：首次实验实现并理论阐释了"混合耦合"策略，为分子电子器件设计提供了超越传统"非强即弱"思维的新范式；成功构建了可在三个稳定电导态间进行程序化、高频切换的单分子器件，为发展分子尺度多值存储、可重构逻辑和类脑计算元件奠定了坚实基础；深入揭示了多通道分子结中耦合强度分布与电荷传输的动态关联；展示通过外部机械刺激精确调控分子界面耦合的可行性，为开发新型机械响应智能器件开辟了道路。
陈洪亮教授展望道："这项工作好比为分子器件找到了'稳定连接'与'高效传输'之间的'黄金平衡点'。我们的混合多通道设计就像同时修建了高速公路和乡间小路，根据需求灵活调度，从而兼顾了速度与网络的鲁棒性。这不仅是原理的验证，更为未来集成更多功能通道、实现更复杂运算的分子电路指明了方向。"
蔡康教授强调："这项研究的核心在于利用分子的多维特性——不仅是化学结构，还有其与界面相互作用的统计分布特性——来创造新的器件功能。从二元到三元的跨越，是迈向分子多值信息处理的重要一步。"
资助信息：本研究得到了国家自然科学基金（22273085, T2420200），浙江省自然科学基金（LZ24B020004, LR25B020001），中央高校基本科研业务费（226-2024-00014），以及北京分子科学国家研究中心（BNLMS2023010）的资助。
致谢：作者感谢ZJU-ICI高性能计算中心和浙江大学化学仪器中心的技术支持。陈洪亮教授和蔡康教授谨以此文纪念他们伟大的导师——分子机器与分子电子学先驱Fraser Stoddart爵士（1942-2024）。
论文链接： T. Pan, S. Zhou, Y. Ma, K. Cai*, H. Chen*. Programmable Charge Transport in a Multichannel Single-Molecule Parallel Circuit. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202513668. https://doi.org/10.1002/anie.202513668
文 字：陈洪亮研究员课题组
编 辑：浙江大学化学系新闻中心
Hongliang Chen | Principle Investigator
Department of Chemistry
Zhejiang University
No. 733, Jianshe 3rd Road, Xiaoshan District
Hangzhou, Zhejiang Province, China
Email: hongliang.chen@zju.edu.cn
Hongliang Chen Research Group