具有高导电性的长分子纳米线

随着我们的设备变得越来越小，在电子电路中使用分子作为主要元件变得越来越重要。在过去的10年里，研究人员一直在尝试使用单分子作为导线，因为它们具有尺寸小、独特电子特性以及高可调性等特性。但在大多数分子导线中，随着导线长度的增加，电子在导线上传输的效率呈指数下降。这一缺陷使得制造长分子导线非常具有挑战性，这种导线比纳米线长得多，能够很好地导电。

哥伦比亚大学的研究人员近日宣布，他们已经制造出了一种有2.6纳米长的纳米线，随着导线长度的增加，该纳米线的电导率也异常增加，且具有准金属性质。它优良的导电性为分子电子学领域带来了巨大的希望，可以让电子设备变得更小。

哥伦比亚工程学院和哥伦比亚化学系的研究团队，以及德国的理论家和中国的合成化学家，共同探索了可支持两端未配对电子的分子线设计，该类电子线将形成拓扑绝缘体（TI）的一维类似物，拓扑绝缘体边缘具有高导电性，但中心则绝缘。

虽然最简单的一维拓扑绝缘体是由碳原子构成的，末端碳原子支持自由基状态，即未配对电子，但这些分子通常非常不稳定。碳不喜欢有未配对的电子。用氮取代自由基所在的末端碳，可以提高分子的稳定性。该团队的共同负责人Latha Venkataraman、应用物理教授和化学教授Lawrence Gussman表示：“这使得由碳链制成，但以氮终止的一维拓扑绝缘体更加稳定，我们可以在室温下以及一般的环境条件下就能使用它们。”

通过化学设计和实验相结合，该团队创建了一系列一维拓扑绝缘体，并成功打破了指数衰减规则，即一个量以与其当前值成比例的速率减少的过程公式。利用这两种自由基边缘态，研究人员通过分子生成了一条高导电路径，并实现了’反向电导衰减’，即一个系统显示出电导率随着导线长度的增加而增加。

Venkataraman表示：“真正令人兴奋的是，我们的金属线具有与金-金属点触点相同的导电性，这表明分子本身具有准金属性质。我们的研究表明，有机分子可以在单分子水平上表现出与金属类似的行为，这与过去他们只具有弱导电性形成了对比。”

研究人员设计并合成了双（三芳胺）分子系列，通过化学氧化显示出一维拓扑绝缘体的特性。他们对分子连接到源极和漏极的单分子结进行电导测量。通过测量，该团队表示，更长的分子具有更高的电导，直到金属丝的直径超过2.5纳米，大约为人类DNA链的长度。

“Venkataraman实验室一直在寻求了解单分子电子器件的物理、化学和工程之间的相互关系，”该实验室的博士生Liang Li补充道。“因此，创造这些特殊的导线将为重大科学进展奠定基础。我们对我们的发现感到非常兴奋，因为它们不仅阐述了基础物理，而且还揭示了未来的潜在应用。”

该团队目前正在开发新的设计，以建造更长且仍具有高导电性的分子导线。