分子器件采用单个分子或者自组装单层分子膜桥接微尺度电极来构筑分子结，测量并解析分子尺度上的电荷传导过程，以研究在分子器件中的量子效应，从而开发新型的基于分子的低功耗、高性能微纳器件，譬如分子开关、分子整流器、分子晶体管等，为后“摩尔”时代进一步缩小芯片尺寸提供理论基础与可行性方案。然而，如何精确调控分子-电极之间的耦合强度来改变分子结中的电荷输运，明晰分子构型与分子器件之间的“构-效”关系是分子电子学领域的重大挑战之一。

近日，清华大学的李远副教授，使用氮杂联苯基的5种同分异构体构筑了一系列性能迥异的分子整流器，通过改变氮杂联苯基团中氮原子的位置，实现了在分子器件中分子与电极耦合强度的精细调控，使分子器件从无整流(分子#2的整流比约为1)转变成高性能分子二极管(分子#4的整流比大于200)。

文章利用单能级模型以及转变电压谱对分子器件的电流-电压曲线进行分析，发现改变氮杂联苯基团中氮原子的位置可以使分子-电极的耦合强度改变约10倍。氮原子的位置越接近顶电极，分子-电极间的耦合越强，分子器件的漏电流(偏压为-1.5V处的电流)提升超过2个数量级。

同时，DFT理论模拟计算也表明氮杂联苯基的同分异构体与顶电极之间的吸附能相差约2倍。此外，计算得到的分子结的投影态密度也发现，在形成分子结后，分子#2的最低未占据轨道向电极的费米能级移动最多，表明形成分子结后其与顶电极的耦合最强，导致在正向和负向偏压下电流数值接近，从而无法实现整流特性。而分子#4与顶电极的耦合强度较分子#2小了约一个数量级，可作为高性能分子二极管。

在该工作中，李远副教授团队通过改变氮杂联苯基中氮原子的相对位置，实现了分子器件中原子级精细调控分子-电极的耦合强度，从强耦合，中等程度耦合到弱耦合，使同分异构体从不具有整流性能的电阻变成高性能分子二极管。