电子器件小型化的极限是达到单分子水平,由于量子效应的影响,基于传统硅基技术手段难以达到如此微小的尺寸。因此采用分子电子学的手段,以自下而上的方法制备分子集成电路为电子器件的进一步小型化提供了新的机遇。同时,分子电子学也为探明化学反应机理、纳米电催化、异构体识别、生物探测、研究并发现微尺度下的物理效应提供了有效的手段。这种巨大的研究价值吸引着研究人员在该领域不断的探索并取得了巨大的进步。单分子器件中的电荷输运包括分子内和分子间传输,是分子电子学领域研究的核心,具有十分重要的意义。由于在调节分子内电荷输运性能上的重要作用,量子干涉效应近年来引起了人们的极大关注。为了更加深入的理解分子器件中量子干涉效应与分子结构的关系,本文利用扫描隧道显微镜断裂结技术（Scanning Tunneling Microscopy-Break Junction,STM-BJ）,通过双杂原子取代的方法对分子中的量子干涉进行调控研究并通过理论模拟对其调控机制进行分析。除分子内电荷传输外,分子间的电荷传输对于构建分子集成电路也至关重要,有利于抑制电子元件之间的隧穿电流进而保护集成电路,同时也在化学、生物学、有机电子学等领域中发挥着重要的作用。为此,我们对基于分子间π-π相互作用及金属-金属相互作用的电荷传输行为进行研究。具体结论如下所述:1.我们设计并合成了一系列双N原子取代的m-OPE衍生物,采用STM-BJ技术系统地研究了双N原子取代对m-OPE分子结中相消量子干涉效应的协同门控作用。电导测试结果表明,掺杂后分子的电导与两个N原子的相对位置密切相关。通过改变中心苯环上两个N原子相对于连接位点的位置能够对分子器件实现超过一个数量级的电导调制。通过魔幻比理论、轨道规则及透射谱的分析揭示了两个N原子对分子电导的调控机制。特别是,添加第二个N原子并不能简单地加强第一个原子的影响;相反,它可能会完全抵消第一个原子的影响。本工作揭示了双N原子取代对相消量子干涉的协同调控机制,为杂环芳烃在分子电子学中的应用铺平了道路。2.我们设计并合成了一系列具有单个锚接基团的蒽衍生物,使用STM-BJ技术研究了其构筑单堆叠结并进行空间电荷输运的能力。单分子电导测试结果表明仅具有刚性平面结构且掺杂卤素原子的分子能够构筑单堆叠结并实现有效的电荷输运。此外,通过改变蒽单元上取代的卤素原子,我们能够对单堆叠结的电导实现超过3倍的显著调制。理论模拟表明具有刚性平面结构的分子更易形成有效的π-π堆叠,掺杂卤素原子能够增强蒽分子间的相互作用,这些因素共同促进了通过空间的电荷传输。本工作在单分子水平上阐明了蒽衍生物分子结构与其空间电荷传输性能之间的关系,为开发基于空间自由π-π相互作用进行电荷传输的分子器件提供了指导,也有助于构建更加高效的基于蒽功能单元的宏观有机光电器件。3.我们设计了一系列具有单个锚接基团的铂（II）多吡啶配合物,使用STM-BJ和Z-scan技术系统的研究了其分子间电荷输运及三阶非线性光学性质。单分子电导测试结果表明,基于分子间强烈的Pt（II）-Pt（II）和π-π空间相互作用能够有效的构建单堆叠结并实现电荷的高效传输,这是对基于铂（II）配合物分子间相互作用进行电荷输运的首次报道。此外,Z-scan测试结果显示铂（II）配合物分子间强烈的相互作用会产生明显的反饱和吸收信号,展现了其在高能防护领域良好的应用前景。本工作为基于有机金属配合物的分子间相互作用制备高效的电荷传输器件及高能防护材料提供了新的研究策略。