IBM 科学家测量绝缘体上单分子的能级

Shadi Fatayer ，IBM Research 的 pre-doc 和论文的第一作者

我们对单分子电子产品的理解变得更加清晰，答案涉及使用一种常见的家居用品——盐。

在 2009 年之前的一篇论文的基础上，IBM 的科学家和合作者展示了使用非接触式原子力显微镜 (AFM) 测量单个原子的电荷状态的能力，他们现在更进一步，测量单个分子的能级绝缘体，第一次。该研究今天发表在同行评审期刊Nature Nanotechnology .

原子力显微镜发明于 1980 年代中期，可测量尖端和样品（例如支撑物上的分子）之间的微小力。尖端是一种多功能、精密的仪器，可以以前所未有的分辨率对分子进行成像，甚至触发前所未见的分子反应。

缩放电子

密度泛函NaCl (5 ML) 上萘酞菁的理论分析。从分子 geo+ geo+ 平面向外积分到真空区域的 NPc+ 和 NPc0 之间计算的电荷密度差异的二维等高线图。 （来源：Nature Nanotechnology）

如果您曾经打开过任何类型的电子设备，例如 PC 甚至是数字闹钟，您就会发现所谓的印刷电路板 (PCB)。这些典型的绿色板子看起来像地图，显示了设备的所有电子组件，包括所谓的导电轨道。这些轨道像铁路轨道一样在整个电路板上传输电流，因此设备可以运行。电路板还包括绝缘层，可防止轨道漏电。如果没有这些层，即使是小型电子设备也需要更多能量来运行。

在评估同一台 PC 或时钟的基本构建块时，但在分子电子学中，我们会看到类似的设置，单分子作为导电轨道，单电子从分子中转移。虽然绝缘层对 PCB 有帮助，但类似的底层绝缘基板在这种规模下还有进一步的影响需要考虑。

“当给绝缘体上的分子充电时，分子中的原子会松弛以适应这种额外的电荷，同样重要的是，绝缘体中的原子核也会松弛。由于分子位于绝缘体顶部，因此很难对此类系统进行电子表征。” IBM Research 的博士前研究人员、该论文的第一作者 Shadi Fatayer 说。

他补充说：“原子位置的这种变化会影响它们的能级，这对分子之间的单电子转移产生了巨大的影响。电子的传输速率可以调整到几个数量级的变化。”

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IBM、利物浦大学、查尔姆斯大学和雷根斯堡大学的科学家团队尝试了不同的方法来解决这个问题。

他们首先在金属基板上生长多层 NaCl，也称为氯化钠或盐，用作绝缘材料。这样的系统允许吸附在顶部的分子具有稳定的电荷状态并与金属表面解耦。

然后，团队思考：“我们如何衡量重组能量？”实验上，它是用溶液中的分子完成的，分子位于金属顶部，但直到现在，还没有一种技术可以研究绝缘体顶部的单个分子。

他们独特的方法在于采用 AFM 和单电子。单电子用于探测两个定义的电荷态在两个方向上的电荷态跃迁。在实验中，科学家们在单个萘酞菁分子上测试了他们的方法。

IBM 研究人员Shadi Fatayer、Leo Gross 和 Gerhard Meyer 在他们的实验室中。

正如之前发表的那样，作者知道他们可以可靠地使用 AFM 来测量具有单电子灵敏度的超薄绝缘体顶部的不同电荷状态。他们最近还展示了稳定带电分子的成像以及在较厚绝缘体顶部的分子之间转移单个电子。然而，测量重组能的能力需要测量对应于特定电荷态跃迁的能级。

“在这项工作之前，我们知道如何测量通过分子的电流。然而，对于给定的轨道，这仅在一个方向上起作用。当我们可以测量将电子连接到某个轨道的能量时，我们永远无法测量从该轨道上移除一个电子的能量，反之亦然。双向测量的能力——这是缺失的，”IBM 物理学家 Leo Gross 说。 “通过我们的 AFM 方法，我们测量了薄膜基板上两个电荷态变化方向的能级。但是，处理非常微弱的信号是一项非常艰巨的工作，这意味着需要进行许多仔细的测量才能进行适当的统计分析。”

他补充说：“使用这种新方法，我们使用尖端和施加在尖端上的力来计算单个电子。我们调整尖端高度和电压，然后计算一个电子到达（或离开）尖端所需的时间，由此您可以获得能级。”

“我们最大的挑战是由于尖端比正常情况更远，无法正确测量隧道事件，”Fatayer 补充道。 “我们测量到的非常弱的力与 zepto 安培规模的电流有关——即 10 到负 21 (10 ^{− 21} ）。大多数物理学家不需要使用这个前缀，但我们通过每隔几秒测量一个电子来做到这一点。我们实际上将 AFM 用作单电子电流计。”

虽然这是非常基础的研究，但应用范围从电子设备（例如芯片缺陷的表征）到光伏和有机半导体。

通过原子力显微镜测量绝缘体上单个分子充电时的重组能， Shadi Fatayer、Bruno Schuler、Wolfram Steurer、Ivan Scivetti、Jascha Repp、Leo Gross、Mats Persson 和 Gerhard Meyer，DOI：10.1038/s41565-018-0087-1