陈洪亮课题组JACS：分子法拉第笼为分子导线穿上“防弹衣”

来源：浙江大学化学系发布时间：2025-05-28 10

近日，我系陈洪亮研究员团队在超分子电子学领域取得重要突破，相关研究以“An electric molecular Faraday cage”为题在线发表于JACS （https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c05038）。

该工作设计了一种带有八个正电荷的分子笼XCage⁸⁺，可以通过大尺寸空腔高效封装苝二酰亚胺（PDI）分子导线。进一步通过电化学扫描隧道显微镜实验验证了该分子笼具有优异的静电场屏蔽功能，并结合理论计算阐明了这种电场屏蔽的机制。这一发现为分子电子学和量子器件领域提供了创新设计思路，为发展高性能分子电子器件提供重要的技术途径。

图1. 分子法拉第笼屏蔽电场示意图

法拉第笼（Faraday Cage）是一种由导电材料制成的封闭结构，能够有效屏蔽外部的静电场和电磁干扰。其名称来源于19世纪英国物理学家迈克尔·法拉第，他通过实验揭示了导体的静电屏蔽效应。将这一经典电磁屏蔽原理拓展至纳米电子学领域，在纳米器件设计中引入分子尺度的法拉第笼结构，有望实现对导电分子的电磁屏蔽保护作用。这种分子级屏蔽结构可以隔离外加电场、溶剂分子、活泼化合物等的干扰作用，从而维持分子器件的稳定电荷传输特性。

金属富勒烯分子因其独特的笼状结构已被证实可作为法拉第笼，为金属原子提供稳定的电子屏蔽环境，从而保障其计算与存储性能。然而，富勒烯受限于其纳米级空腔尺寸（如C₆₀直径约0.7 nm），难以容纳更大尺寸的导电分子。为突破这一限制，亟需开发新型分子法拉第笼材料，其设计需满足以下核心特征：

分子法拉第笼必须作为空心导体发挥作用，电荷能够在其外表面重新分布；
分子法拉第笼应具有尺寸合适的空腔，以便有效封装分子导线形成稳定复合物；
分子法拉第笼的导电性不能对客体分子的导电性造成不良影响；

图2. 本研究中采用的分子法拉第笼XCage⁸⁺的结构特点

本工作设计了一种含有八个正电荷的分子笼（图2，简称XCage⁸⁺）作为分子法拉第笼。相较于中性分子笼（环糊精、葫芦脲等），XCage⁸⁺不仅能显著提升器件电传输性能的稳定性，还具有以下独特优势：（1）增强客体导电分子的溶解性；（2）抑制共轭分子导线的聚集；（3）降低分子导线间的信号串扰。值得一提的是，XCage⁸⁺外围分布的八个正电荷使其同时内部形成极强的负电性空腔，这种结构可有效屏蔽外加电场的干扰，体现出优异的法拉第屏蔽效应。

图3. XCage⁸⁺的电荷传输特性

研究者首先测试了XCage⁸⁺独立的电荷传输特性（图3）。实验观上察到两种电导信号（HC和LC），分别对应分子笼平躺和直立构型，其电导值分别为~10^3.0G₀和~10^4.6G₀，构型转换导致电导动态变化。进一步通过闪烁噪声分析发现：两种构型均以空间传输为主导机制。XCage⁸⁺分子结的电学信号表明，即使在没有锚定基团的情况下，电子传输也是通过XCage⁸⁺与金电极之间的静电相互作用发生的。

然而，为了验证XCage⁸⁺的静电屏蔽效应，需要将分子笼与电极隔离（图4）。因此，研究者使用苝二酰亚胺（PDI）作为模型分子导线，在其两端使用SCH₃作为锚定基团，与金电极形成稳定的分子结。XCage⁸⁺具有刚性的大尺寸空腔的，能够包裹PDI分子导线，在水中形成结合亲和力达皮摩尔级的XCage⁸⁺⸧PDI复合物。基于此，研究者利用电化学扫描隧道显微镜裂结技术（图4），分别研究了裸露的PDI分子导线以及有屏蔽层包裹的XCage⁸⁺⸧PDI复合物随电化学栅极电场的电荷传输特性。

图4. 使用电化学扫描隧道显微镜技术（EC-STM-BJ）表征分子法拉第笼（XCage⁸⁺）的屏蔽效应

EC-STM-BJ调控结果表明（图5）：裸露的PDI分子导线在负栅压（V_G=0至0.6 V）调控下电导变化10倍（从10^4.7G₀升至10^3.7G₀），表现为电化学分子晶体管行为；而对于XCage⁸⁺⸧PDI复合物，电子仍通过PDI骨架传输，XCage⁸⁺未引入额外导电通路。在施加负栅压（V_G=0至0.6 V）时，电导恒定在10^4.0 G₀，不受栅极电场的影响，这些结果都证实了XCage⁸⁺可以隔离外电场的干扰作用，从而维持分子器件的稳定电荷传输特性。

图5. 电化学调控PDI和XCage⁸⁺⸧PDI的电学特性

结合理论计算（图6），研究者证实了复合物中电子仍通过PDI骨架传输，XCage⁸⁺未引入额外导电通路，但通过局部化学门控效应（调控分子能级）提升了PDI分子导线的电输运性能。为了进一步深入探究XCage⁸⁺作为法拉第笼的静电屏蔽效应，研究者对分子法拉第笼内外的电场梯度分布进行了可视化，结果表明：即使存在强外电场（0.25 V/m），XCage⁸⁺仍能有效屏蔽绝大部分电场，保持内部空腔的电场纯净，这是维持分子导线稳定电学输运性质的基础。

图6. XCage⁸⁺电场屏蔽机制

总结：该工作重点研究了分子法拉第笼的静电屏蔽机制，证明了超分子组装策略为提升纳米分子器件稳定的电输运性能调控提供了新思路，为高性能纳米器件的设计制备开辟了新路径。

本研究得到了国家自然科学基金（22273085, T2422020, T24B2016），浙江省自然科学基金（LZ24B020004, LR25B020001），中央高校基本科研业务费（S226-2024-00014），以及国家分子科学中心（BNLMS2023010）的资助。

文章的第一署名单位为浙江大学化学系，浙江大学博士生周萍与科研助理程楷为本文共同第一作者，南佛罗里达大学刘文奇助理教授、浙江大学陈洪亮研究员为本文共同通讯作者。

文字：陈洪亮研究员课题组

编辑：黄珍珍、邹尔纯

审核：林旭锋