基于機(jī)械可控裂結(jié)技術(shù)的單分子結(jié)構(gòu)筑和綜合表征.pdf

1、高效可靠的精確測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)各類(lèi)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要前提。納米尺度乃至單分子水平的測(cè)量技術(shù)，是該尺度下分子材料和分子器件的直接表征手段，可為從分子水平設(shè)計(jì)材料、構(gòu)筑器件提供重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。迄今單分子電學(xué)測(cè)量技術(shù)致力于為傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體器件小型化提供自下而上的分子電子學(xué)的替代解決方案，另一方面，單分子尺度下的物理化學(xué)性質(zhì)可由其電學(xué)性質(zhì)體現(xiàn)，對(duì)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域中的單分子科學(xué)、自組裝科學(xué)和有機(jī)合成化學(xué)均有很好的借鑒和助推作用。然而可靠、高效、高靈敏度的單分

2、子電學(xué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)科研儀器研制具有很大的挑戰(zhàn)性，即需要發(fā)展一套合適、高效的表征手段來(lái)提高相同分子結(jié)體系在不同構(gòu)筑方法及不同課題組間的可重復(fù)性，并能夠推知分子結(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電荷輸運(yùn)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)。此外，由于大部分單分子電學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展需要借助昂貴和復(fù)雜的儀器，造成從事該方向的門(mén)檻較高，投入較大。因此基于以上因素的考慮，我們亟需發(fā)展高效可靠的分子結(jié)構(gòu)筑與表征的方法，致力于推動(dòng)分子電子學(xué)乃至單分子學(xué)科的發(fā)展。
　　本論文經(jīng)過(guò)大量的文

3、獻(xiàn)調(diào)研和比較，認(rèn)為采用機(jī)械可控裂結(jié)(MechanicallyControllable Break Junction，MCBJ)方法從事單分子電學(xué)測(cè)量研究具有較大優(yōu)勢(shì)。為降低MCBJ實(shí)驗(yàn)技術(shù)的門(mén)檻，我們從方法學(xué)角度出發(fā)，通過(guò)多種手段相結(jié)合，相對(duì)簡(jiǎn)便地制備MCBJ技術(shù)所需的適用不同體系的各種類(lèi)型芯片，同時(shí)設(shè)計(jì)并搭建相應(yīng)的儀器裝置，最終構(gòu)筑多種目標(biāo)分子的金屬/分子/金屬結(jié)，并發(fā)展多種電學(xué)和譜學(xué)測(cè)量手段，對(duì)分子結(jié)進(jìn)行表征。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和

4、結(jié)果如下:
　　1.采用微加工手段結(jié)合電化學(xué)方法制備MCBJ所需芯片，發(fā)展EC-MCBJ方法。通過(guò)三電極恒電流沉積技術(shù)連結(jié)事先制備的微米間隔的懸空電極對(duì)，進(jìn)而利用MCBJ技術(shù)成功構(gòu)筑金屬原子點(diǎn)接觸和金屬/分子/金屬結(jié)。通過(guò)簡(jiǎn)便、靈活地更換電沉積鍍液，獲得了Au、Ni和Cu等金屬原子點(diǎn)接觸，并觀察其量子電導(dǎo)現(xiàn)象。成功構(gòu)筑BDT、雙核釕有機(jī)炔和DMAB等體系的分子結(jié)，利用一維電導(dǎo)統(tǒng)計(jì)和電流-偏壓特性曲線(xiàn)等方法進(jìn)行了電學(xué)性質(zhì)的測(cè)量，獲得

5、了這些分子的單分子電導(dǎo)以及電流-偏壓特性。
　　2.制備通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂固定的具有懸空切口金絲的彈簧鋼片，引入Notched wireMCBJ方法，同時(shí)設(shè)計(jì)并搭建匹配該芯片的設(shè)備和儀器，提出了分子電導(dǎo)的全景掃描方法。研究硬接觸模式下分子結(jié)斷裂和連結(jié)兩個(gè)分過(guò)程的電導(dǎo)隨距離演變的差異，同時(shí)實(shí)現(xiàn)MCBJ技術(shù)下軟接觸模式的測(cè)量，避免了snap-back效應(yīng)的影響。獲得OAE系列不同單元長(zhǎng)度分子的真實(shí)、完整的電導(dǎo)信息，同時(shí)觀察電子在該類(lèi)分子中從

6、直接隧穿到途經(jīng)分子隧穿的演變;獲得不同長(zhǎng)度的雙端巰基直鏈烷烴分子的電導(dǎo)-距離信息，對(duì)分子結(jié)電導(dǎo)和長(zhǎng)度之間的關(guān)聯(lián)及直接隧穿與途徑分子隧穿兩種模式的競(jìng)爭(zhēng)做出一定預(yù)測(cè);首次獲得清晰的BDT分子結(jié)的二維電導(dǎo)-距離統(tǒng)計(jì)圖，并觀察到BDT分子結(jié)多個(gè)電導(dǎo)特征;首次獲得吩噻嗪(PTZ)類(lèi)衍生物分子的電導(dǎo)-距離信息，同時(shí)獲得其通過(guò)酸堿調(diào)控下的較大的電導(dǎo)變化。
　　3.利用微加工手段結(jié)合電子束光刻的方法制備芯片，采用Nano-lithographic

7、MCBJ方法。利用相對(duì)簡(jiǎn)便的商用掃描電鏡改裝的電子束光刻系統(tǒng)，在預(yù)先制備的微米尺度電極對(duì)上套刻懸空納米線(xiàn)，結(jié)合自行設(shè)計(jì)和搭建的MCBJ裝置，獲得更穩(wěn)定的金屬原子點(diǎn)接觸及納米間隔。通過(guò)該芯片進(jìn)行了MCBJ力學(xué)過(guò)程的模擬和計(jì)算，提出了新的MCBJ支撐模型和衰減系數(shù)計(jì)算公式。獲得PDI分子結(jié)的單分子電導(dǎo)，并結(jié)合拉曼光譜測(cè)量，獲得PDI分子在電極對(duì)間隔這一熱點(diǎn)內(nèi)隨偏振和偏壓改變而改變的表面增強(qiáng)拉曼光譜信號(hào)。
　　4.采用電化學(xué)方法刻蝕的針

8、尖，結(jié)合燒融退火的金球基底，發(fā)展Tip-bead MCBJ方法。利用針尖和金球基底在彈簧鋼片上相向而對(duì)位置的擺放，下拉鋼片形成接觸。成功構(gòu)筑金的原子點(diǎn)接觸以及PDI分子結(jié)，獲得PDI分子結(jié)的電導(dǎo)-距離信息，并結(jié)合拉曼光譜測(cè)量，獲得PDI的表面增強(qiáng)拉曼光譜信號(hào)。
　　5.自行設(shè)計(jì)和搭建一臺(tái)可實(shí)現(xiàn)超高真空/低溫(UHV/LT)環(huán)境下機(jī)械可控裂結(jié)法與表面增強(qiáng)拉曼光譜(MCBJ-SERS)聯(lián)用的系統(tǒng)，初步獲得超高真空和低溫環(huán)境，最大程度減