压阻器件被广泛应用于电子和运载等工业中的振动检测，例如智能手机里的步行计数，汽车上安装的安全气囊，还有植入式压力传感器等医疗器械，在航空和航天工业中，压阻器件也是不可或缺的器件。

近日，理学院物理系杰夫教授带领物理系研究生杨立坤和悉尼科技大学、科廷大学、纽卡斯尔大学、詹姆斯库克大学以及巴塞罗那大学合作，在《Nature Communications》上发表研究论文。该论文报道了一种单分子尺寸的电子传感器，它只有人类头发粗细的数万分之一。他们开发出更加灵敏、小型化的关键电子元件，能够将力或压力转化为电信号。由于这种新型压阻器的量子尺寸和物理化学特性，将为化学和生物传感器、人机界面和健康监测设备开辟一个全新的领域。这种基于分子的新型传感器可用于检测其他化学物质或蛋白质和酶等生物大分子，甚至可能会改变疾病检测的研究手段。

新型压阻器由单个bullvalene（可译作瞬烯）分子制成。当受到机械拉伸时，这种分子发生应变形成不同形状的新分子，从而导致电阻改变并影响电流。不同结构的化学形式被称为异构体，这是首次利用异构体间的相互转化来开发压阻器。杰夫教授团队已经能够通过量子力学建模来理解一系列复杂反应，并了解单个分子如何实时发生反应和转化。使用电导率检测分子形状是一种全新的化学传感概念。其科学意义在于能够在毫秒时间尺度范围内，利用电学检测到正在发生反应的分子形状变化。理解了分子形状与导电性之间的关系，就能确定分子与附着金属导体之间连接的基本特性。这种新的实验能力对于未来分子电子学器件设备的发展至关重要。

具有压阻特性的纳米级机电系统（NEMS）为亚细胞尺度的探测器和传感器以及新一代集成电子设备提供了独特的测量方法。杰夫研究团队展示了一种单分子NEMS压阻器，它利用单个分子的构型和构象异构化进行操作，并能以850 Hz的频率进行切换。实验观测采用了扫描隧道显微镜断结（STMBJ）技术，以确定压阻特性，并结合电流-时间实验，实时跟踪单分子反应。团队开发了一种动力学蒙特卡罗方法（KMC）来模拟实验时间尺度上的异构化，并使用密度泛函理论（DFT）结合非平衡格林函数（NEGF）计算进行参数化。结果表明，压阻受构型和构象异构化的控制，与实验时间尺度相比，异构化发生的速度或快（平衡）或慢（非平衡）。他们观察到两种不同类型的 STMBJ 轨迹，一种是传统实验中典型的分子内异构化，这种异构化发生在稳定的尖头形金属接触结上，另一种异构化则是由分子异构化引起的结界面重组所致。

本工作上海大学是第一完成单位，得到了上海大学五五战略——量子科技和高性能计算平台的大力支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-41674-z