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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2068(2023) 이 기사 인용

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특정 기능을 갖춘 2차원 초분자 어셈블리의 합성 및 설계는 많은 기술 응용 분야와 관련된 새로운 분자 기반 전자 분야의 주요 목표 중 하나입니다. 이미 많은 수의 분자 조립체가 연구되었지만 균일하고 고도로 정렬된 2차원 분자 조립체를 엔지니어링하는 것은 여전히 ​​어려운 과제입니다. 여기서 우리는 조정 가능한 구조적 특성을 지닌 폭넓은 결정질 분자 어셈블리를 준비하는 새로운 접근 방식에 대해 보고합니다. 우리는 카르복실산 기능 부분의 높은 반응성과 비극성 알칸 사슬의 예측 가능한 구조적 특징을 활용하여 4-(데실옥시)벤조산(4DBA;C\(_{17}\)의 2D 초분자 어셈블리를 합성합니다. )H\(_{26}\)O\(_{3}\)) Au(111) 표면에 있습니다. 주사 터널링 현미경, 밀도 범함수 이론 계산 및 광전자 방출 분광학을 통해 우리는 이러한 분자가 거의 독립된 특성을 나타내는 마이크로미터 크기의 자체 제한되고 고도로 정렬되고 결함이 없는 2차원 단일층 필름을 형성한다는 것을 입증합니다. . 우리는 알콕시 사슬의 길이를 변경함으로써 분자 조립에 영향을 주지 않고 "부유" 오버레이의 분자 밀도를 제어된 방식으로 수정할 수 있음을 증명했습니다. 이 시스템은 분자 패턴을 유지하면서 구조적 특성을 제어된 방식으로 조정할 수 있는 특정 기능을 갖춘 몇 안 되는 2D 분자 배열 중 하나를 나타내기 때문에 분자 어셈블리 엔지니어링에 특히 적합합니다.

(a) 4DBA 분자의 스케치(탄소 원자는 어두운 회색으로, 산소 원자는 빨간색으로, 수소 원자는 흰색으로 표시됨). Au(111)(V\(_{b}\)=1.6V; I\(_{t}\)=100에서 4DBA 분자 조립의 대규모(b) 및 클로즈업(c) STM 이미지 pA;T=300K); (c) 흰색 상자(b)로 표시된 영역을 나타냅니다. (d) 4DBA/Au(111)(V\(_{b}\)=1.3V; I\(_{t}\)=100pA; T=300K)의 정전류 STM 이미지 초분자 패턴과 헤링본 재구성.

복잡한 분자 구조는 일반적으로 비공유 결합을 통해 분자 빌딩 블록을 연결하여 구성되므로 다양한 초분자 구조와 단계가 나타날 수 있습니다1,2,3,4,5,6. 고체 표면을 지지체로 사용하는 경우 분자의 자기 조립은 2차원(2D) 과정으로 간주될 수 있으며, 분자 패킹, 도메인의 수 및 유형, 결합 에너지와 같은 구조적 및 전자적 특성은 분자 수준은 분자간 힘 사이의 상호 작용과 흡착물과 기본 지지체 사이의 상호 작용에 크게 의존합니다.

분자 빌딩 블록과 지지 기판을 적절하게 선택하면 원칙적으로 특정 기능을 갖춘 2D 초분자 어셈블리를 합성하고 설계할 수 있으며, 이는 과학 및 기술의 여러 영역에서 흥미롭고 새로운 기회를 제공합니다10,11,12,13. 이러한 성취를 위한 핵심 단계는 (a) 분자가 어떻게 자가 배열되는지 이해하고, (b) 조정 가능한 특성을 지닌 균일하고 고도로 정렬된 결함 없는 필름의 성장을 마스터하는 것입니다.

작은 카르복실화된 분자는 새로운 분자 어셈블리를 설계하기 위한 전략을 탐색하고 수립하기 위한 이상적인 테스트 환경을 제공합니다. 이들 분자는 작용기로 인해 강력하고 방향성 있는 수소 결합을 통해 서로 결합할 수 있습니다. 고체 표면에 지지되는 이러한 분자 빌딩 블록은 정전기 또는 반 데르 발스 상호 작용을 통해 자체 조립되어 복잡한 2D 아키텍처를 형성할 수 있습니다1,2,3,4,5,6,13,16,17,18,19,20,21, 22,23,24,25,26,27,28.

지금까지 수백 개의 구조가 구현되었지만 2차원 결정질 재료를 예측하고 설계하는 것은 여전히 ​​어려운 작업입니다. 주목할만한 예외 중 하나는 사슬 길이를 변화시킴으로써 조절될 수 있는 자기 조립 단층을 형성하는 알킬입니다. 이러한 어셈블리에서 분자는 알킬 사슬이 표면에 나란히 편평하게 채워져 있는 라멜라 구조를 채택합니다. 특정 구조는 "홀수" 효과로 알려진 메커니즘을 통해 알킬 사슬의 탄소 원자 수에 따라 달라집니다. 짝수(홀수) 탄소를 가진 알코올은 기질과 약하게(강하게) 상호 작용하여 거의 기울어진 모양을 생성합니다( 직교) 라멜라에 대한 알코올 방향.