长分子线中的弹道输运：卟啉纳米带

经典电气元件的电导通常随着长度的增加而衰减。一般来说，这也是在1D分子线的纳米尺度上发现的相同行为。现在，研究人员再次证明，纳米世界的情况有所不同（即底部有足够的空间）

IMDEA纳米科学和牛津大学的研究人员测量了卟啉纳米带的电导，当分子能级与电极费米能级共振时，获得了非凡的电导特性——近乎完美的传输。这项工作已发表在《美国化学学会杂志》上

寻找能够有效传输电荷的长分子线推动了分子电子学领域的发展。然而，从一开始的问题就是，分子线的电导通常会随着其长度而显著衰减

这背后的原因是传输分子轨道的能量和电极费米能级（金属的最高占据电子态，发生电子传输）之间往往存在强烈的失配。这种失配意味着电子必须穿过分子态，这导致随着分子线长度的增加，电导呈指数级下降。这通常通过构建越来越长的化合物（即在低聚物链上添加连续的单元）并观察电导如何变化来评估

随着π-共轭分子化合物（即具有交替的单双键或单三键的化合物）变长，最高被占据分子轨道（HOMO）和最低未被占用分子轨道（LUMO）之间的间隙变窄，这应该有利于电导

事实上，电子隧穿的距离越大，电导就越小。结果是，长度超过3-4纳米的分子通常会变得电阻过高，无法进行单分子测量。分子结传输电荷的低效率是阻碍基于分子的电子电路发展的主要因素

在他们的最新工作中，由Edmund Leary博士联合领导的研究人员旨在创建与电极接触电阻低的长导电分子结。他们选择卟啉低聚物——包括少量重复单元的聚合物链——作为分子线的最佳候选者，因为它们在室温下的稳定性、刚性以及可以融合成类似石墨烯纳米带的带的事实。此外，卟啉是自然界中普遍存在的生物分子（血液、植物叶子、酶等）

卟啉的一个有趣的特征是，它们的性质不仅强烈地取决于分子的结构和长度，还取决于单个环的连接方式。根据相邻环之间的键合，它们可以变成非常电阻或非常导电的线，即使它们基本上由相同种类的原子组成

Leary博士和他的团队研究了由Harry Anderson教授领导的牛津大学团队设计和合成的沿着金属丝长度三重融合的卟啉环链。这些键允许电子高效离域，这是增加分子电导的关键特征。它们具有极小的HOMO–LUMO能隙，对于最长的化合物来说小于1eV

在他们的实验中，Leary小组的研究人员在环境条件下用扫描隧道显微镜（STM）的尖端“打捞”分子。在这种被称为STM断接技术的方法中，分子被沉积在金表面上，并在STM的尖端和表面之间施加电压

使用这种“捕鱼”方法，他们捕获单个分子，并形成和破坏成百上千个分子连接。研究人员测量了电极之间用分子线分离时的电导，这使他们能够确保只捕获了一个分子。他们还测量了分子结的长度，很好地检查了他们是否真的在测量导线的端到端特性

令他们惊讶的是，最长的化合物（>；7nm）的电导率几乎与最短的化合物（长度略大于1nm的单体）相同。这只有在量子区才有可能，并表明即使在如此大的距离下，HOMO–LUMO间隙的减少也能补偿长度的增加

然而，测量表明，在低偏压下，电子传输仍然是一个隧穿过程，电导仍然比理论上可能的低100–1000倍

当研究人员在结上施加不同的偏置电压时，事情开始变得非常有趣。在一些结中，令人印象深刻的是，他们在零偏压下发现了最大电导，该电导随着电压的增大而减小。这与典型行为相反

同样令人惊讶的是，这些结中的电导远高于先前观察到的，并且在相当多的结中，达到了77.5μS的理论电导极限，也被称为1G0，这是通过单个量子通道可能达到的最大电导。具体来说，这是金或银等单个原子的典型电导

弹道电子输运在金属碳纳米管中是已知的，也被认为是非常小的分子。这里的关键方面是，这是第一次在具有将导线连接到电极的已知原子接触的长（>；7nm）原子精确分子中在低偏压下观察到弹道电导。测量是在空气中进行的