闫强课题组JACS：在手性FLP有机分子笼中发现高自旋选择性输运行为

电子在同手性结构中的输运表现出显著的手性依赖的自旋方向选择性行为。这种效应称为手性诱导的自旋选择性（CISS），它开辟了在无外磁场情况下操纵电子旋向的方法，为构筑新原理自旋器件提供了可能。迄今，一些手性体系包括螺烯、DNA、杂化钙钛矿、金属/共价有机框架及分子结等已被确定为具有高自旋极化能力的手性体系。但是传统有机手性结构在自旋极化率（SP）提高的同时，往往不能兼得器件的高导电性（自旋电流<4 nA）和高隧道磁阻率（MR<1%）。因此，探索具有高导电性和磁阻效应的新型手性结构仍是一个重要挑战。

近日，复旦大学高分子科学系闫强（点击查看介绍）课题组在前期受阻路易斯酸碱对（FLP）基功能材料的研究基础上（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202217001; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202305290; ACS Mater. Lett. 2024, 6, 3667; ACS Macro Lett. 2024, 13, 798; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 20183; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15104; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 18418; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 264; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 9336），首次提出有机分子笼（OMC）可成为高效自旋过滤材料和器件候选结构的概念，利用含FLP基团手性分子笼的刚性几何形状和内部电子的离域特性，证实分子笼不仅具有高自旋极化能力，还表现出意想不到的高电导率和隧道磁阻。

三角双锥型分子笼由手性二胺和三芳基膦通过[2+3]缩合反应制备（Δ-Pcage和Λ-Pcage），借助磁导电原子力显微镜测量手性分子笼纳米薄膜（2~3 nm）的I-V曲线表明，两种均手性分子笼具有截然相反的自旋极化能力，其中Δ-Pcage自旋极化率高达-87%，而Λ-Pcage为81%，接近目前最高的杂化钙钛矿的SP值；二者的自旋电流也超过150 nA，比常规有机分子制备的CISS器件高20~30倍。将分子笼制备成自旋阀器件，磁阻测试进一步表明两种手性对映体的磁阻效应分别为12%和8%，超过传统的手性分子自旋器件。

以此为基础，利用B–P路易斯酸碱对的超分子相互作用可以将含三芳基分子笼和含三芳基硼非手性平面化合物（B3）组装成单手性笼基纳米螺旋纤维（Δ-Pcage/B3和Λ-Pcage/B3），利用手性转移效应实现了导电能力和磁阻效应的协同放大，其导电能力可进一步提高2倍、自旋磁阻可增加近30%。

综上，该研究首次证明了手性有机分子笼可以作为一种基于CISS效应的新型自旋过滤材料使用，并证实了通过笼间超分子组装能够放大其自旋过滤能力。不仅为自旋电子器件的开发构建了一个新拓扑分子平台，同时揭示了手性有机笼材料在分子电子学中的潜力。相关成果近日发表于J. Am. Chem. Soc.期刊。复旦大学高分子系博士生王一昕为第一作者，闫强教授为论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、复旦大学聚合物分子工程全国重点实验室和高分子科学系的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Highly Conductive Chiral Organic Cages and Their Helical Assemblies Enable Efficient Spin Filtering

Yixin Wang, Yulian Zhang, Yang-Yang Wang, Qiang Yan*

J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.4c18520

导师介绍

闫强

https://www.x-mol.com/university/faculty/62608