IBM利用原子力显微镜测量绝缘层上单分子能级
发表于《自然·纳米技术》的突破性研究中，IBM科学家首次量化了置于绝缘表面上单个分子的能级。这一里程碑让实用单分子电子器件更进一步。
背景
自1980年代以来，原子力显微镜（AFM）使科学家能探测尖针与样品间皮牛顿量级的力。2009年，IBM及合作者证明非接触AFM可测定表面单个原子的电荷态。当前研究将该技术扩展至绝缘层上单分子，攻克了该领域长期挑战。
方法论
团队在金属衬底上生长超薄多层氯化钠（NaCl）——常见食盐。此结构将分子与导电金属隔离，使其电荷态保持稳定。利用AFM针尖施加精细调节电压，同时记录单个电子在针尖与分子间隧穿时产生的微小力。
通过测量电子双向跳上/离开分子所需时间，科学家提取了每次电荷态跃迁所需能量。由此首次测得此构型下单分子的重组能——系统适应电荷变化所耗能量。
关键发现
研究聚焦单个萘氰烷（NPc）分子。AFM力灵敏度达zeptoampere（10–21 A）级，可每几秒探测单个电子。这种前所未有的灵敏度让团队同时测定电子添加和移除两个方向的能级，这是单分子研究此前缺失的能力。
"双向测量能级的能力以前缺失，"IBM物理学家Leo Gross说。"我们的AFM方法现可绘制绝缘体上分子的完整电荷态图景。"
"充电引起的原子位置变化显著改变能级，可能使电子转移速率变化数个数量级，"第一作者Shadi Fatayer补充道。
意义
这些发现对纳米电子元件设计有广泛意义，包括半导体芯片缺陷表征、光伏器件、有机半导体。通过理解单分子如何与绝缘环境相互作用，工程师能在器件制造极限尺度上更好预测控制电荷传输。
原子力显微镜测量绝缘体上单分子充电重组能, Shadi Fatayer, Bruno Schuler, Wolfram Steurer, Ivan Scivetti, Jascha Repp, Leo Gross, Mats Persson, and Gerhard Meyer, DOI: 10.1038/s41565-018-0087-1
纳米材料