氢键动力学转变诱导的金属-绝缘体相变_氢键

氢键动力学转变诱导的金属-绝缘体相变

2024/10/16 15:53:47 15005: 来源：中国科学院物理研究所

摘要：近期，中国科学院物理研究所先进材料实验室A02组陈小龙研究员团队选取窄带隙无机半导体SnSe2作为电荷传输层，将中性的有机分子1,3-丙二胺(DAP)插入层间，通过氢键形成和断开的动力学过程，实现了电阻率变化7个数量级的金属-绝缘体相变(MIT)。

　　【仪表网研发快讯】氢键作为一种基本的化学作用力广泛存在于含氢物质中，从无机物到蛋白质，并对这些物质的形成及其物理、化学性质产生重要的影响。由于氢键主要源自静电相互作用，电荷通过氢键的转移能力相对较弱，在不考虑质子迁移的情况下，氢键的形成和断开可以影响原子(团)的电荷分布，但通常不能引起物质导电性的显著变化。

　　近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心先进材料实验室A02组陈小龙研究员团队的应天平特聘研究员、郭建刚研究员、陈小龙研究员联合国家纳米科学中心高玉瑞研究员选取窄带隙无机半导体SnSe2作为电荷传输层，将中性的有机分子1,3-丙二胺(DAP)插入层间，通过氢键形成和断开的动力学过程，实现了电阻率变化7个数量级的金属-绝缘体相变(MIT)。

　　该工作利用DAP分子中的氨基(-NH2)基团通过氢键与SnSe2的Se原子相互作用。其-NH2基团在高温(>160K)时由于热激发产生无序旋转，使得氢键持续处于“断开”和“成键”的状态。此种旋转在低温(<160K)时被部分“冻结”，这种“动态-静态”的变化使得材料发生大的电阻率跃变，表明了氢键在调控电学性质方面具有巨大潜力。进一步通过S取代Se能够有效增强氢键作用，MIT转变温度可被提升至近室温。通过系统的分子动力学模拟和实验，团队进一步证明-NH2基团与Se之间的氢键“动态-静态”转变与电阻率的变化密切相关，其行为可以用Shannon动态熵理论描述。该工作为未来的分子电子器件设计提供了新的思路，有望在生物传感和柔性电子器件等领域展现出巨大的应用前景。

　　该工作受到科技部、北京市自然科学基金、国家自然科学基金和中国科学院的经费支持。博士生谢圳楷、应天平特聘研究员、纳米中心博士生罗锐和高玉瑞研究员为本研究的共同一作，应天平特聘研究员、高玉瑞研究员、郭建刚研究员和陈小龙研究员为共同通讯作者。文章的合作者还有北京师范大学朱重钦教授、物理所谌志国研究员和杜罗军特聘研究员等。相关成果以“Dynamic-to-static switch of hydrogen bonds induces a metal–insulator transition in an organic–inorganic superlattice”为题，在线发表在国际学术期刊《Nature Chemistry》上。