研究案例

自旋交叉分子比特

分子信息存储因具有超高理论存储密度和低能耗等优势，被认为是突破传统硅基器件物理极限的重要发展方向之一。自旋交叉（spin-crossover，SCO）配合物具有磁双稳态，能够在高、低自旋态之间可逆切换，是构筑分子比特的理想候选体系。然而，在实际SCO材料体系中，多个SCO分子的自旋态转变行为往往通过分子间弹性作用相互耦合，表现出协同转变现象，即局部激发即可引起材料的整体响应。随着器件尺寸不断缩小并逼近单分子极限，这种SCO协同性成为了一种不利因素：它阻碍了对单个分子的独立操纵，从而限制了信息存储密度的进一步提升。因此，如何在分子尺度上实现对SCO协同性的精准调控，是推动基于SCO材料的信息存储技术发展的关键科学问题。 针对这一问题，我们提出了一种基于“配位场工程”的原子尺度调控策略，实现了对表面分子结构中SCO协同性的精准调制，并显著提升了SCO分子体系的信息存储密度。研究团队在金表面可控构筑了一维含Ni金属有机配位链，其中的Ni配位中心具有自旋双稳态。在扫描隧道显微镜（STM）针尖的局域激发下，同一条配位链中的多个Ni中心可以发生协同自旋态转变，使整条配位链表现为一个分子比特。这一结果直观揭示了SCO协同性在低维表面配位体系中的微观表现形式。进一步地，通过在配位链中掺杂异金属或异配体，实现了对局部配位场的原子级调控，使部分原本具有SCO活性的Ni配位中心转变为自旋态不可变的“惰性节点”。这些惰性节点有效削弱了链内配位中心间的弹性耦合，将原本作为单一存储单元的配位链分割为多个相互独立的链段；每个链段均可在STM针尖作用下独立发生自旋态转变，从而使一条配位链能够容纳多个可被独立操控的分子比特，显著提升了信息存储密度。在此基础上，借助STM针尖操纵技术，研究团队实现了对这些分子比特的逐个可逆编码，展示了它们作为分子信息存储单元的可控性和可重复性。结合密度泛函理论计算，研究团队揭示了掺杂节点抑制SCO协同性的微观机制，阐明了配位环境对金属中心SCO行为的关键调控作用。

相关论文：Nat. Commun. 2026, 17, 1968

界面调控分子自旋

分子自旋的精准调控是发展分子自旋器件的关键基础。构筑这类分子器件通常需要将磁性分子置于金属电极等固体表面，这不可避免地会引入分子与基底之间的相互作用，从而显著影响分子的电子结构和自旋性质，甚至导致分子磁矩的淬灭。因此，实现对磁性分子与基底之间相互作用的有效调控，是推动分子自旋体系走向实际器件应用的关键前提。面向这一目标，我们从界面工程策略出发，在金表面构筑了一种新颖的致密溴原子单层结构，并将其作为磁性分子与金属基底之间的功能界面层。该界面层兼具电子去耦与空穴掺杂的双重功能，从而实现了对吸附分子自旋态的精准调控。扫描隧道显微镜、扫描隧道谱和密度泛函理论计算相结合的研究表明，该溴原子层具有较大带隙，能够有效抑制磁性金属酞菁分子（FePc和CoPc）与金属基底之间的电子态杂化，使分子的自旋基态及其自旋激发能够被清晰分辨和准确表征。与此同时，溴原子层具有较强的电子亲和能力，能够通过界面电荷转移对吸附分子产生空穴掺杂效应，从而调控分子的价电子构型和自旋态。具体而言，当FePc和CoPc分子吸附在溴原子层修饰的金单晶表面时，它们自旋基态分别由本征的S = 1和S = 1/2转变为S = 3/2和反铁磁单重态（S = 0）。这些结果表明，溴原子层是一种兼具电子去耦和空穴掺杂能力的双功能界面修饰层，在精准调控表面分子电子结构和自旋性质方面展现出重要潜力；同时，这一界面修饰策略也为分子自旋器件的设计提供了新的思路。

相关论文：J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 9023

电子化学

电子不仅是普遍存在于氧化还原反应和电化学体系中的一种“反应物”，还是某些化学过程的“催化剂”。在电子参与的化学反应中，反应物得到电子后产生荷负电的中间物种，再释放电子进一步转化为产物。当反应物分子位于由扫描隧道显微镜（STM）针尖和金属衬底构成的隧穿结中时，上述电子诱导的化学过程可以通过STM针尖施加电压脉冲来引发。这种基于STM实现的电子诱导化学反应具有高度的局域性和可控性，是精准合成功能性分子纳米结构的一种有效手段。 在实际反应体系中，反应物通常被其他反应物或溶剂分子包围，由此形成的局域分子组装环境可能对反应物分子的化学性质产生重要影响。因此，厘清组装环境影响反应性质的规律和机制至关重要。此前，相关研究已经在热活化和光活化反应中广泛开展。然而，电子诱导反应体系中的组装效应还有待于系统性探索，对其深入认识将有助于实现对电子诱导反应的有效调控。 我们基于STM实验和密度泛函理论计算，以电子诱导的4,4''-二氯-1,1':3',1''-三苯基（DCTP）分子在Cu(111)表面的C-Cl键解离作为探针反应，在单化学键水平揭示了分子组装对电子诱导的表面反应的关键作用及其机理。实验结果显示，通过STM针尖向表面吸附的DCTP分子的未占据分子轨道注入电子，能够有效地引发DCTP中C-Cl键的选择性解离，且C-Cl解离所需能量对分子所处表面局域组装环境存在着敏感响应：随着DCTP分子周围共组装的Br增原子数目增多，分子中C-Cl键解离所需能量逐渐增加。进一步的实验测量和理论计算表明，这种分子组装的调控作用源于局域环境变化引起的电子注入未占据轨道的能量改变。

相关论文：J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 10150