国内量子计算机研究课题组,上海师范大学肖胜雄教授课题组Nature：通过破坏性的σ键量子干涉实现单分子电导的全面抑制...

1965年，英特尔(Intel)创始人之一的戈登·摩尔(Gordon Moore)提出摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件数目每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。这一定律揭示了信息技术进步的速度。自上世纪70年代以来，随着电子技术的进步，半导体器件的尺寸越来越小，当前硅基半导体器件的尺寸已经缩小到纳米尺度。

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尽管这种趋势已经持续了超过半个世纪，但是近年来半导体器件在微小化进程中遇到了瓶颈。从技术的角度看，一旦芯片上线条的宽度缩小到分子尺度，材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使现行工艺所生产的半导体器件不能正常工作。其重要原因之一是纳米尺度下的量子隧穿效应会导致“漏电流”的产生，而漏电流过大将带来芯片过热等一系列问题。这是否意味着摩尔定律在单分子尺度下将失效？

近日，上海师范大学肖胜雄教授团队合成了一种具有重叠构象的二环[2.2.2]辛硅烷分子(Si222)。通过与美国哥伦比亚大学Colin Nuckolls教授、Latha Venkataraman教授以及丹麦哥本哈根大学Gemma Solomon教授合作，团队证实该分子能实现破坏性σ键量子干涉，从而获得了长度小于1纳米的单分子超级绝缘体。与相同尺度的真空相比，超级绝缘体表现出更好的绝缘性能。相关工作于2018年 6月6日发表在Nature上(DOI: 10.1038/s41586-018-0197-9)。

肖胜雄教授简介

肖胜雄，上海师范大学教授。1999年本科毕业于武汉大学，2002年硕士毕业于中国科学院化学研究所李玉良院士课题组，2007年博士毕业于美国哥伦比亚大学Colin Nuckolls教授课题组，获得国家优秀自费留学生奖学金、哥伦比亚大学优秀毕业论文以及优秀博士毕业生等奖励和称号。随后加入The Scripps Research Institute研究所Julius

Rebek, Jr.课题组从事博士后研究。2010年回国后自主创业，2013年进入学术界，先后获得2013年上海市特聘教授(东方学者)、2014年上海市曙光学者、2016年上海市优秀学术带头人等荣誉和称号。主要研究领域是新型有机半导体电子体系的设计与合成、不同尺寸的有机电子器件的制备和性能研究等。在Nature,J. Am. Chem. Soc.,Angew. Chem. Int. Ed.等学术期刊发表SCI论文40多篇，被引用2000多次。参与撰写Elsevier专著1部，授权发明专利6项。主持国家自然基金、上海市科委、上海市教委等科研项目多项，并担任教育部资源化学国际合作联合实验室技术转移中心副主任。组建了一支包括2名教授、2名讲师、16名研究生的科研团队。后期将重点关注有机非平面分子材料的光、电子学行为，并将其拓展到有机超分子器件以及单分子电子学研究中。

前沿科研成果：通过破坏性的σ键量子干涉实现单分子电导的全面抑制

在前期研究中，肖胜雄教授与美国哥伦比亚大学Colin Nuckolls教授、美国哥伦比亚大学 Latha Venkataraman教授、以及丹麦哥本哈根大学Gemma Solomon教授合作，发现环戊硅烷结构在室温下具有旋转自由度，其测量出来的电导由多种构象共同构成。同时，团队发现环状结构减弱了Si-Si之间的σ键共轭，导致环戊硅烷的电导低于同等长度的链状硅烷结构(Chem. Sci.,2016,7, 5657-5662)。

单分子的电导是通过电子波函数来实现的，而电子波函数类似于声波。就像声波会“绕过”墙壁跨越障碍物一样，电子会通过量子隧穿效应而越过绝缘层。电子绕过分子(以及任何纳米级绝缘材料和介电材料)这一量子隧穿效应会随着分子尺寸的减小而呈指数增加，分子尺寸越小，量子隧穿效应越明显。近期研究表明，电子在单分子结中的隧穿效应可以通过破坏性量子干涉来抑制，这是一种非长度依赖的机制。所谓破坏性量子干涉是指当两个波的波峰和波谷完全错位时，电子波函数将会发生消除振荡，从而抑制量子隧穿效应。

图1.Si222及其衍生物的合成路线图

基于上述发现，上海师范大学资源化学国际合作联合实验室肖胜雄、李和兴课题组通过将Si-Si键锁定在具有重叠构象的刚性二环分子框架中，获得了一种二环[2.2.2]辛硅烷分子(Si222，如图1所示)。结合单分子电导测量与密度泛函计算结果，团队证实该分子能实现破坏性σ键量子干涉，从而获得了长度小于1纳米的单分子超级绝缘体。该分子还表现出了非常高的热电势(0.97 mv/K)，这从实验上再次证明了通过破坏性量子干涉可以完全抑制纳米尺度下电子的量子隧穿。从某种意义上来说，这种完全抑制量子隧穿效应的现象也可以理解为不需要更厚的绝缘层“墙壁”就能阻止电子的量子隧穿。

图2. 电子在硅单分子导线中隧穿时的波函数衰减情况及电子传导情况：A)直链硅烷分子线Si4、模拟真空缝隙硅分子线Si4-cut和桥环硅烷分子线Si222三种分子的结构示意图；B)三种分子导线在电子隧穿过程中的波函数衰减示意图；C)分子导线中的电子传导通道示意图，箭头的粗细与电子传导元素的强度成正比，而箭头颜色则代表传输方向，红色箭头表示有效的电子传导，蓝色箭头表示破坏性的量子干涉。

计算表明，与相同尺度的真空相比，二环辛硅烷Si222单元(如图2A所示)具有更小的电导，亦即更好的绝缘性能(如图2B所示)。其原因在于Si222具有破坏性的σ键量子干涉效应(图2C中蓝色箭头所示)，进而在单分子电导测试实验中显示出超级单分子绝缘性能。

本研究通过电子结构的调控，首次实现了破坏性的σ键量子干涉效应。文章提出的分子设计为基于量子干涉的单分子绝缘体概念提供了证明，也为摩尔定律突破到单分子级别提供了可行性支持。这对单分子电子学以及量子计算机等研究领域具有重要意义。

该研究成果以“Comprehensive suppression of single-molecule conductance using

destructive σ-interference”为题发表在Nature上(DOI: 10.1038/s41586-018-0197-9)。丹麦哥本哈根大学博士生Marc Garner、美国哥伦比亚大学博士生Haixing Li以及上海师范大学2014级硕士研究生陈艳同学为论文的共同第一作者，上海师范大学肖胜雄教授、美国哥伦比亚大学Colin Nuckolls 教授、美国哥伦比亚大学 Latha

Venkataraman 教授以及丹麦哥本哈根大学Gemma Solomon 教授为论文共同通讯作者。

该工作得到国家自然科学基金项目(项目编号：21473113,

51502173)的大力支持。本文的两位作者陈艳和上官之春同学为该课题付出了巨大的努力，作出了突出贡献，肖胜雄教授在此表示感谢。同时，肖胜雄教授也非常感谢上海教委、上海市科委、上海市人事局、组织部以及上海师范大学各职能部门以及生命与环境科学学院的对本工作的大力支持和帮助！

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