单原子调控分子热传输，为纳米电子器件开辟新路径

奥格斯堡的物理学家们与美国密歇根大学的研究人员密切合作，首次从实验和理论两方面证实：仅通过替换一个原子，分子间的热传输量便可发生高达两倍的变化。该研究成果为在原子尺度上精准调控热流开辟了新路径，对纳米电子元器件、热电材料以及金属有机框架化合物的进一步发展具有重要意义。这项研究已发表于《自然・材料》。

从需要散热的高性能计算机芯片，到能量转换装置，纳米结构中的热传输控制对众多现代技术都至关重要，也是当前极为活跃的研究领域。近年来，学界在理解纳米结构如何影响热传输方面已取得重大进展，但此前尚不明确，分子中单个原子的替换是否能显著改变声子传输，即通过晶格振动实现的热传输。在一项新研究中，来自德国奥格斯堡与美国密歇根州安娜堡的国际研究团队证实了这一可能性。该研究聚焦于所谓的单分子结，即由单个分子连接两个金电极，这也是目前可实现的最小热学器件。

该研究以苯二胺（BDA）为研究对象。这种分子由苯环（有机化学的基本结构单元之一）和两个含氮基团（氨基）构成，氨基可实现与金电极的精准连接。研究人员将苯环上的一个氢原子，依次替换为原子量更大的卤素原子：氟、氯、溴和碘。

测量结果显示，尽管这类分子结的电导几乎未因原子取代发生变化，但其热传输却呈现出清晰规律：替换的原子质量越大，热导率越低。未取代分子与碘取代分子的热传输差异接近两倍。

奥格斯堡大学物理研究所法比安・保利理论研究组的负责人法比安・保利教授表示：“单个原子能对热传输产生如此显著的影响，而电荷传输却基本保持不变，这为在分子材料中独立调控热流与电流提供了极具吸引力的可能。” 该理论团队阐明了上述现象的基本原理。

本研究基于奥格斯堡大学法比安・保利教授理论组，与美国密歇根大学埃德加・迈霍弗教授、普拉莫德・雷迪教授实验组多年的合作成果。近年来，双方团队已在原子与分子尺度的热传输领域取得多项突破性进展，本次研究正是在此基础上，进一步深化了对单原子取代调控热传输机理的认知。

在实验测量中，密歇根大学团队研发了一款新型量热扫描探针传感器。该传感器搭载氮化铌测温元件，在约零下 180 摄氏度的低温环境下，其测量分辨率较现有系统高出一个数量级。借助极为尖锐的扫描探针针尖与低温环境，研究团队首次实现了可忽略不计的热背景噪声，这也是测量单个分子间极微弱热流的重要前提。

该研究的共同第一作者、法比安・保利课题组博士生马蒂亚斯・布拉施克，曾作为项目成员前往密歇根大学，与美方团队开展紧密合作。他表示：“现场的面对面沟通，让我能将理论计算结果与实测数据直接对比，进而揭示出观测到的热传输衰减背后的物理机理。”

具体而言，奥格斯堡团队的理论模型表明，重原子取代会破坏分子的高对称性，从而抑制振动模式间的相长干涉。在溴、碘等质量较大的取代原子作用下，传输函数中还会产生新的反共振现象，进一步降低热流。

该研究成果不仅有助于从基础层面理解原子尺度的热传输规律，还为金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）以及分子热电材料的热传输性能精准优化提供了重要参考。在上述所有材料体系中，分子均为连接单元，而单个原子的定向取代有望成为定制材料热学性能的全新设计原则。