手性诱导的二维自组装分子网络中的自旋选择性

《Journal of the American Chemical Society》：Chirality-Induced Spin Selectivity in Two-Dimensional Self-Assembled Molecular Networks

二维自组装分子网络、手性诱导自旋选择性、磁导率不对称性、扫描隧道显微镜、有机半导体、分子吸附、界面电势、DFT计算、磁性基底、室温效应

　　本研究探讨了一种新型的二维自组装分子网络（SAMN）在磁性基底上表现出的旋向性诱导自旋选择性（CISS）效应。通过扫描隧道显微镜（STM）和扫描隧道光谱（STS）技术，研究人员首次在非螺旋结构的二维分子系统中观察到了显著的自旋依赖电子传输现象。这种现象在常温条件下达到了40%以上的磁导率不对称性（EMA），为理解分子结构如何影响电子自旋特性提供了新的视角。

CISS效应是指在具有旋向性的分子中，电子的自旋状态会被选择性地过滤，从而在传输过程中表现出对自旋方向的偏好。这一现象在生物系统、化学反应以及材料科学等多个领域具有重要意义。例如，在生物学中，CISS效应可能与生命起源中手性分子的形成有关，因为自旋选择性可能在某些化学反应中起到了关键作用。在材料科学中，CISS效应为开发新型自旋电子器件提供了理论基础。

本研究聚焦于一种有机半导体材料——二萘并[2,3-b:2',3'-f]噻吩并[3,2-b]噻吩（DNTT），其分子结构中带有手性烷基侧链。DNTT因其高电荷迁移率、稳定性、可调性以及易于集成的特性，成为研究CISS效应的理想材料。研究人员将DNTT分子吸附在具有垂直各向异性（perpendicular anisotropy）的磁性基底上，通过分子分辨率的STM图像和STS测量，观察到了其在二维空间中的自旋选择性传输行为。

在实验中，研究人员使用了Pt/Ir（80/20）非自旋极化的STM探针，对不同旋向性的DNTT分子网络进行了测量。结果表明，当磁性基底的磁化方向发生改变时，DNTT分子网络的电流传输表现出显著的不对称性。具体而言，(S)-DNTT分子网络在磁化方向向上时电流更高，而在磁化方向向下时电流较低；相反，(R)-DNTT分子网络则表现出相反的趋势。这种不对称性不仅与分子本身的旋向性有关，还与磁性基底的特性密切相关。

为了验证这一现象是否确实源于CISS效应，研究人员还进行了对照实验。他们测量了未吸附任何分子的磁性基底，发现其电流在两种磁化方向下几乎没有差异，EMA值接近于零。此外，他们在纯TCB溶剂中进行的实验也显示EMA值较低，进一步排除了其他可能的干扰因素。这些对照实验支持了研究结论，即所观察到的自旋依赖电流不对称性主要来自于DNTT分子网络的旋向性结构。

研究还揭示了DNTT分子在磁性基底上的吸附行为。通过STM图像可以观察到，DNTT分子以四聚体形式排列，其整体结构呈现出镜像对称的特性。这种镜像对称的组织结构是由于分子侧链的旋向性所导致的。DFT计算进一步表明，DNTT分子在吸附过程中会产生不对称的静电势分布，这种分布可能在分子与金属界面处引发自旋轨道耦合，从而影响电子传输的自旋选择性。

值得注意的是，本研究中所使用的磁性基底具有垂直各向异性，即磁化方向主要沿着基底的法线方向。这种特性使得磁化方向的变化能够被有效控制，并且有助于观察自旋依赖的电流传输行为。同时，实验条件被设定在溶液/固体界面，模拟了实际化学环境中可能存在的复杂情况，表明CISS效应在化学相关条件下仍然具有显著的稳定性。

本研究的发现不仅扩展了对CISS效应的理解，还为开发基于手性分子的新型自旋电子器件提供了新的思路。通过将旋向性引入二维分子网络，研究人员成功地在非螺旋结构中实现了自旋选择性电子传输。这种现象的出现，意味着未来可以设计出更多具有自旋选择性功能的材料，这些材料可能在信息存储、传感器和纳米电子器件等领域具有广泛应用。

此外，研究还指出，尽管DNTT分子本身在三维空间中不具备旋向性，但在二维吸附状态下，其侧链的旋向性会通过分子排列的方式影响整体的自旋传输特性。这种由分子组织结构引起的旋向性被称为“组织旋向性”，它可能与分子之间的相互作用密切相关。因此，未来的实验可以进一步探讨这种组织旋向性在不同分子结构和基底材料中的表现，以揭示其更广泛的应用潜力。

在实际应用方面，CISS效应的发现可能对纳米电子学、量子信息处理和生物传感等领域产生深远影响。例如，在自旋电子器件中，CISS效应可以用于控制电子的自旋状态，从而实现更高效的自旋传输。在生物传感中，由于CISS效应可能与生物分子的自旋选择性有关，因此可以用于检测特定的生物分子或化学物质。同时，这种效应在溶液/固体界面中的表现，也为研究复杂化学环境下的自旋传输行为提供了新的实验平台。

总的来说，本研究通过在二维自组装分子网络中引入旋向性，首次在非螺旋结构中观察到了显著的自旋依赖电流传输现象。这一发现不仅加深了对CISS效应的理解，还为未来研究和开发基于手性分子的新型材料和器件提供了重要的理论基础和技术支持。随着对CISS效应研究的不断深入，预计将在多个科学领域中引发更多创新性的应用探索。