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。

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。

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！

原文链接：https://www.chembeango.com/zixun/22739

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