JACS：原位还原制备N-杂环卡宾单分子结

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在过去几十年中，集成电路沿着符合摩尔定律预测的趋势持续发展。但随着半导体制程越来越接近物理极限，人们亟需新型晶体管来代替传统的硅晶体管。2012年芯片制造巨头IBM宣称他们最新研制的碳纳米晶体管具有比硅晶体管更高的运行速度。这启发了众多化学家，因为同样是碳基材料的有机小分子的尺度也在纳米级，其也可能被运用到晶体管制造领域。但是学者们对纳米尺度下有机分子可控组装及其电化学性质的了解还远达不到应用的要求。因此，如何在纳米尺度下构建稳定可靠的单分子结（Single Molecule Junctions）并测试单个分子的电子特性仍然是分子电子学的重点及难点。

图1. a）原位合成单分子结；b）通过STM-BJ技术合成自组装分子膜

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

近日，美国哥伦比亚大学的Latha Venkataraman教授和Xavier Roy助理教授联手捷克科学院物理研究所的Héctor Vázquez博士报道了一种可以探测N-杂环卡宾（NHCs）电学性能的方法（图1a）。NHCs是重要的有机反应中间体，其活性极高，难以单独稳定存在，因此对其电子性能进行研究极为困难。但是最近有学者发现NHCs可以在金表面形成稳定的自组装分子膜（Self-Assembled Monolayers, SAMs）。基于这项研究，作者合成出了一系列NHCs，这些化合物在空气中具有较高的稳定性，而且能通过扫描隧道显微镜裂结法（scanning tunneling microscope-based break junction, STM-BJ）与电极形成稳定的单分子结。该成果以“In Situ Formation of N‑Heterocyclic Carbene-Bound Single-Molecule Junctions”为题发表于《美国化学会志》（DOI: 10.1021/jacs.8b05184）。

作为整个研究基础，如何将NHC分子连接到电极上是作者面临的第一个问题。作者给出的解决办法是在NHC分子的一端修饰上可以与金反应的硫甲基（SMe），这样在分子与金接触的时候便可以通过共价键将分子固定在金表面。但是NHC分子另外一端并不能通过类似的方法进行连接，因此作者选取更为复杂的原位还原法来将分子连接到另外一个电极上（图1b）。

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