有機分子薄膜在基礎研究及應用領域具有重要的價值。基于有機分子薄膜的有機發光二極管（OLED）、有機場效應晶體管（OFET）等器件因在柔性電子產品方面具有廣泛的應用潛力而倍受關注。影響柔性分子電子器件應用的關鍵因素之一是分子薄膜的物理性能受機械形變的影響程度。對分子薄膜的韌性等進行深入的理解對于實現柔性有機分子器件的廣泛應用起重要作用，但目前對有機薄膜力學性能和與之相關的深層機理研究卻很少，特別是缺乏在分子水平上的研究數據。在眾多重要的有機半導體材料中，喹吖啶酮分子及其衍生物非常穩定，它們具有良好的電化學穩定性、光伏和光電特性。為了設計基于喹吖啶酮分子的柔性分子器件及進行性能優化，從分子尺度上控制這種分子的生長并研究其力學性能顯得尤其重要。

中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）納米物理與器件實驗室博士生寸煥堯以及王業亮副研究員、杜世萱研究員等采用具有柔性長碳鏈的喹吖啶酮分子（C52H76O2N2，QA），對其形成的獨特的二維分子晶態薄膜的結構和力學性能進行了系統的研究，取得了重要進展。QA分子由一個芳香烴苯環構成的骨干和兩邊的碳鏈組成，由于具有兩個長碳側鏈，在分子膜形成過程中，長碳鏈在調節分子-分子、分子-基底間相互作用過程中起到微妙的作用，可導致在基底表面形成具有不同構型的分子膜。在前期工作中，他們研究了QA分子在成膜及膜結構演變過程的單分子識別特征，他們采用掃描隧道顯微鏡（STM），觀察到了由同質手性排列的分子線陣列，經過局部區域分子對映體過量的過渡態之后，最終形成異質手性排列的密堆積結構的分子識別和結構演變過程。闡述了分子側向烷基長鏈在單分子手性識別中所起到的重要作用[J. Am. Chem. Soc. 132, 10440 (2010)]。

最近, 他們進一步在Ag(110)表面上制備了高質量的QA分子薄膜，并用STM從單分子尺度探測到了不同分子覆蓋度下八種不同排列的膜結構（圖1）。他們系統地研究了這八種結構的獨特構型及演變過程。通過分析系統的總能量及組成部分，清楚地描述了結構形成過程中各種相互作用力，定量給出了這些作用力在結構演變過程的貢獻。分析表明，不同強度的作用力，包括骨干之間很強的共價鍵、較弱的氫鍵和范德瓦爾斯力相互作用，導致形成了排列非常有序的八種不同的分子膜結構。碳鏈在基底的吸附長度與總吸附能量的變化緊密相關，成為理解復雜而精細的分子自組裝過程的關鍵因素之一。

該研究的科學發現還包括：（1）QA分子的側鏈在生長過程中具有雙重功能。在低覆蓋度的兩種結構中，側鏈具有調節分子膜中線形結構之間距離；在高覆蓋度下，分子側鏈部分上翹并加強了分子間的耦合（圖2）。（2）跟平均到每個分子的能量變化相比，單位面積的能量變化可更準確地理解實驗觀測到的現象。（3）特別重要的是，所有的分子膜構型適用于單一楊氏模量，其幅值受側鏈長度影響（圖3），表明通過調節側鏈長度，不僅能調控分子薄膜的物理和化學性質，還能調節其彈性性能。研究表明，利用烷基側鏈可控制分子膜的結構，實現對有機分子薄膜的彈性性能的調制，這對未來柔性分子器件的發展具有重要的參考價值。

該項研究工作與美國馬里蘭大學的歐陽敏教授、英國利物浦大學Werner Hofer教授、美國橡樹嶺國家實驗室Stephen Pennycook教授、吉林大學王悅教授和中科院力學所趙亞譜教授等進行了合作。該項目得到國家自然科學基金、科技部和中國科學院的支持。相關研究結果發表在Nano Letters 12, 1229-1234 (2012)。

圖1：STM圖像。從單分子尺度揭示了QA分子隨覆蓋度增加形成的不同構型的分子膜。

圖2：QA分子烷基側鏈在分子膜演變過程的狀態變化示意圖。在高覆蓋度下，側鏈持續上翹，加強了分子間的耦合。 

圖3：不同構型分子膜的應力應變關系。應力應變的比值為單一楊氏模量(E)。