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扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用

 

  摘 要 单分子科学是一门新兴的交叉科学,在当前的科技发展中具有重要意义.扫描隧道显微镜是研究单分子的一种强有力而独特的工具.文章以作者所在研究组近年来在单分子表征、操控和原型器件设计等方面的研究工作进展为例,概述了扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用,重点介绍了以下成果:在硫醇分子自组装单层膜上观测到C60分子的本征笼状结构,并发现了一种新颖的由C60分子取向产生的拓扑序;结合实验图像和理论模拟,确定了单个C60分子在Si(111)|7×7表面的吸附取向;通过对金属富勒烯分子Dy@C82进行空间和能量分辨成像及相关理论模拟,确定了金属原子相对碳笼的位置及分子的取向;利用扫描隧道显微镜针尖对吸附在Au(111)表面的单个CoPc分子操作“分子手术”,以实现其吸附态和自旋态的量子调控;发现了一种由单电子隧穿和C59N分子的特殊能级结构产生的新的整流机制;发现了一种由针尖电子态和CoPc分子中Co原子轨道的空间对称性匹配产生的负微分电阻效应.
  关键词 扫描隧道显微术,单分子科学,单分子表征,自旋态调控,单分子器件
  
  1 引言
  
  近年来,单分子科学逐渐发展成为一个引人注目而前景广阔的新型交叉学科,受到了许多研究者的关注.单分子科学的研究内容是分子、原子团簇和生物大分子本身及其吸附在表面或者处于复杂凝聚相环境时的物理、化学和机械等性质[1].单分子体系的尺度最小可至纳米量级,其能级往往是分立的,在这种情况下出现的量子行为决定了体系的主要性质.人们希望通过调控其量子效应以实现某些特定功能,从而能够制备出单分子器件,如分子开关等.在分子电子学领域里,这种自下而上地搭建分子器件,并研究其性质和应用已是当前的科技热点之一. 
   1982年,IBM公司苏黎世实验室的Binnig和Rohrer等人利用量子隧穿机理研制出第一台扫描隧道显微镜(STM)[2].扫描隧道显微镜的发明使得人们首次能够实时地在原子尺度上对物体进行原位观测,进而研究其相关的物理和化学等性质.随着单分子科学的发展,人们开始尝试利用以STM为代表的各种显微技术,对单分子等纳米结构进行表征、操控和尝试原型分子器件设计.二十多年来,这个领域已经取得了许多令人瞩目的成果,并促进了物理、化学、微观机械、分子生物学和分子电子学等相关学科的发展[3].
  

  STM技术在单分子科学研究的应用中具有以下的优势和特点:STM实验能获得具有原子级分辨率的图像,可直接用于观测单分子体系电子态的空间分布,观察分子的几何构型和空间取向[4—6];STM谱学技术可以提供与单分子体系电子态有关的更丰富的信息,例如通过I-V曲线可以得到分子的输运性质[7—11],dI/dV技术(dI/dV谱和dI/dV成像[6])可以对分子的分立能级进行扫描以研究体系的能级结构,非弹性隧道谱可以用来研究分子的振动谱[12]等;利用STM针尖及其施加的外场可以进行单原子和单分子的操控,并进一步设计和构造单分子器件[8],通过各种途径(例如在针尖外加脉冲电压)还可以调节单分子体系的磁学性质[7];对单分子的表征和操控不仅可以测量单个键的强度[13],直接观测单分子态反应,甚至可能实现“选键化学”[14, 15].所以STM是目前研究单分子体系最有力而独特的技术手段.
  2 研究工作进展
  
  
  近几年来,我们研究组利用低温高分辨STM技术,结合第一性原理理论模拟,在单分子物理和化学的研究中取得了一定的进展.在单分子的高分辨表征方面有:在Au表面自组装硫醇膜上C60分子本征笼状结构和新型二维取向畴的观测;单个C60分子在Si表面吸附取向的确定;金属富勒烯中金属原子在碳笼中的位置及分子取向的确定.在单分子的量子态调控方面,我们通过选键化学实现了单分子自旋态的控制.在单分子原型器件的设计和构建方面有:基于单个C59N分子的整流器;由Ni针尖与CoPc分子轨道的空间对称性匹配产生的负微分电阻效应.

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