利用扫描隧道显微镜表征和操纵单分子

扫描隧道显微镜（STM）提供给我们一种表征单分子的局域物理和化学特性的特殊方法，甚至还能帮助我们操纵单分子以构造分子尺度的新型器件。本文中我们采用了两种新型STM技术分别来表征封装在富勒烯笼里面的金属原子和构造一种具有较强Kondo效应的分子器件。空间dI/dV映像谱被用来探索单个Dy@C82分子中能量分辨的金属-笼杂化态，揭示了有关Dy原子在碳笼中的空间位置和Dy-碳笼之间相互作用的重要信息。我们也通过控制STM针尖诱导的高电压脉冲来诱导CoPc分子的边缘脱氢化，从而改变了这个分子在Au(111)表面的吸附构型，导致吸附在Au表面的完整CoPc分子所不具备的Kondo效应产生。     

扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用

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.     

扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用

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.     

2004年第5期《物理》内容预告

研究快讯能量与空间分辨的单分子显微术———透过碳笼“看”富勒烯　包合物内的金属原子(王炜华等) ;绝对测量He原子快电子碰撞双激发的电子关联动力学(刘　小井等) .评述半导体量子点及其应用(Ⅱ) (赵凤瑷等) .前沿进展光子晶体光纤及其应用(赵玲慧等) ;GeSbTe与AgInSbTe体系     

中国科技大学制成新型单分子整流器

日前，中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室在富勒烯单分子研究中又获重要进展．他们成功得将富勒烯单分子中的一个碳原子用氮原子取代，并利用单电子隧穿效应，研制成仅由一个分子组成的新型单分子整流器．该分子器件有着和传统单分子整流器不同的工作原理，在重复性和可控性方面有着明显的优势。     

超分子屏蔽效应对富勒烯自由基C59N·稳定性的影响及其诱导的(C59N)2中键接碳笼C-C键的转移重构

富勒烯自由基通常是在空气中短暂存在或不稳定的短寿命物种,超分子屏蔽是近年来被发展用于稳定富勒烯自由基稳定的一种有效策略.本文将共价桥联碳质π电子共轭双嵌N分子碗作为客体C₅₉N·富勒烯自由基的理想宿主体,通过密度泛函理论计算研究了二者之间的主客体相互作用、热力学、自旋电子密度等性质.结果发现C₅₉N·富勒烯自由基嵌螯在该钳形双分子碗的凹穴内而被屏蔽,从而有效避免单电子结构的暴露和C₅₉N·自由基之间的化学二聚,即显著增强其动力学稳定性和寿命,这种策略对富勒烯自由基在自旋电子学、超分子电子器件或光电转换器件等领域的应用具有潜在指导价值.此外,本研究还发现通过超分子屏蔽策略,理论上可以实现对(C₅₉N)₂二聚体分子中键连两个碳笼的C-C进行重构,这也为富勒烯相关体系中C-C键构建的提供了一种新的思路与途径.     

氢、氮、铍、锂原子在缺陷富勒烯CX（x=58-62）中的吸附与渗透

碳富勒烯包合物由于潜在的应用前景受到广泛关注。我们采用第一性原理方法计算了氢、氮、锂、铍原子在不同碳富勒烯中的吸附和穿越。根据原子在不同碳富勒烯笼中的势能曲线,我们给出了原子穿越碳富勒烯笼的势垒和势阱,归纳出原子穿越碳笼机理分为插入机理、渗透机理以及插入机理和渗透机理的混合机理。     

氢、氮、铍、锂原子在缺陷富勒烯C_x(X=58～62)中的吸附与渗透

碳富勒烯包合物由于潜在的应用前景受到广泛关注.我们采用第一性原理方法计算了氢、氮、锂、铍原子在不同碳富勒烯中的吸附和穿越.根据原子在不同碳富勒烯笼中的势能曲线,我们给出了原子穿越碳富勒烯笼的势垒和势阱,归纳出原子穿越碳笼机理分为插入机理、渗透机理以及插入机理和渗透机理的混合机理.     

隧穿谱的研究进展

隧穿谱适宜于研究表面和界面的物理化学性质．它具有灵敏度高、谱范围宽和不受光学跃迁那样的选择定则限制等优点．本文介绍了隧穿谱的测量原理及其在探测分子的振动跃迁、电子跃迁，测量超导能隙和研究生物辐射损伤等方面的应用．对扫描隧穿显微镜（ＳＴＭ）的针尖－平面电极构成的隧道结构和金属－氧化物－金属平面型隧道结构作了比较，分析了它们用于测量隧穿谱时的优缺点，ＳＴＭ将促进隧穿谱研究的进一步发展．     

高压下限域富勒烯分子体系构筑的新结构

探索新的碳结构是物理、材料等学科关注的热点课题. 富勒烯分子可看成是一种零维碳结构，其独特的结构和优异的性质为构筑新碳结构提供了理想的构筑单元. 本文介绍了利用限域与高压相结合的方法，在富勒烯限域体系研究中取得的进展，包括溶剂化富勒烯、富勒烯填充单壁碳纳米管（Peapod）限域体系的高压结构转变，总结了溶剂分子等对限域富勒烯高压结构相变与新结构形成的影响. 结果对新型碳结构的设计与构筑提供了新的思路与有益参考.     

Unveiling metal-cage hybrid states in a single endohedral metallofullerene

The local structural and electronic properties of individual metallofullerenes are studied using scanning tunneling microscopy, scanning tunneling spectroscopy, and theoretical simulations. The energy-resolved metal-cage hybrid states of a single endohedral metallofullerene Dy@C82 isomer I have been spatially mapped, supporting a complex picture consisting of the orbital hybridization and charge transfer for the interaction between the cage and the metal atom. The relative position of the encapsulated Dy atom inside the cage and the molecular orientation on the surface have been inferred by comparing the experimental results with theoretical simulations. The combined technique provides promising applications in the fields of in situ characterization and diagnostics of metallofullerene-based nanodevices.     

Single quantum dots as scanning tunneling microscope tips

We report the use of single quantum dot structures as tips on a scanning tunneling microscope (STM). A single quantum dot structure with a diameter of less than 200 nm and a height of 2 μm was fabricated by reactive ion etching. This dot was placed on a 40 μm-high mesa and mounted on the tip of a STM. The topography of large structures such as quantum wires or gold test substrates is clearly resolved with such a tip. To check the transport properties of the tip, quantum dot arrays were fabricated on resonant tunneling double barrier structures using the same process parameters. Conventional tunneling spectroscopy clearly resolved the 0D states in our samples. Using a metal substrate as second electrode such STM tips can be used to perform high resolution energy spectroscopy on single dots and free standing wire structures.     

Influence of Interorbital Interference on Tunneling Process in STM

We present a theoretical study of the influence of intra-atomic interorbital interference on the formation of STM images of metal surfaces. The obtained results show that this kind of interference may modify significantly the tunneling current by the increase or decrease of the current contributions flowing through different orbitals of the surface atoms. STM simulations performed for aluminium and nickel surfaces indicate that the height of corrugation and the topographies of STM images of different surfaces depend considerably on this interference.     

Self-assembly and growth of manganese phthalocyanine on an Au（111） surface

Self-assembly and growth of manganese phthalocyanine (MnPc) molecules on an Au(111) surface is investigated by means of low-temperature scanning tunneling microscopy. At the initial stage, MnPc molecules preferentially occupy the step edges and elbow sites on the Au(111) surface, then they are separately adsorbed on the face-centered cubic and hexagonal closely packed regions due to a long-range repulsive molecule—molecule interaction. After the formation of a closely packed monolayer, molecular islands with second and third layers are observed.     

通过单分子化学调控单个离子磁性*——单分子“手术”开启分子磁性“开关”

报道了如何通过改变单个磁性离子的化学环境来调控其自旋性质.利用扫描隧道显微镜,对吸附于Au(111)表面的单个钴酞菁分子进行化学修饰,通过在针尖上施加一定的电压脉冲,将分子配合体外层的8个氢原子“剪裁”掉,使其与金衬底形成稳定的化学键合.在这个新的人造分子结构中,其中心钴离子的电子态在费米面上出现强烈的共振峰;通过理论的模拟和分析,发现出现这一共振峰的原因是,脱氢和与衬底的化学结合使中心钴离子自旋性质发生改变,从而导致了输运特性中近藤效应（Kondo effect）的出现.     

通过单分子化学调控单个离子磁性--单分子"手术"开启分子磁性"开关"

报道了如何通过改变单个磁性离子的化学环境来调控其白旋性质．利用扫描隧道显微镜，对吸附于Au（111）表面的单个钴酞菁分子进行化学修饰，通过在针尖上施加一定的电压脉冲，将分子配合体外层的8个氢原子“剪裁”掉，使其与金衬底形成稳定的化学键合．在这个新的人造分子结构中，其中心钴离子的电子态在费米面上出现强烈的共振峰；通过理论的模拟和分析，发现出现这一共振峰的原因是，脱氢和与衬底的化学结合使中心钴离子自旋性质发生改变，从而导致了输运特性中近藤效应（Kondo effect）的出现．     

C59N单分子整流器

通过将单个C59N分子置于双势垒隧道结中,从而利用单电子隧穿效应和C59N分子的特殊能级结构,我们成功地实现了一种新型的单分子整流器件.实验中这个整流器件的正向导通电压约为0.5—0.7 V,反向击穿电压约为1.6—1.8 V.理论分析表明,中性C59N分子的半占据费米能级以及在不同充电情况下费米能级的不对称移动是形成整流效应的主要原因.其构成原理也决定了该器件具有稳定、易重复的特点.     

石墨单晶表面原子的扫描隧道显微象

扫描隧道显微镜(STM)是近几年发展起来的一种直接观察物质表面微观结构的仪器.利用量子隧道效应,将极细的金属针尖接近样品表面扫描,从而获得样品表面的三维图象,可以反映表面原子排列和原子形态.图1是我们设计制造的扫描隧道显微镜原理图.采用压电陶瓷管P作为x,y和z方向的三维扫描器件.管表面等分为相邻90°的四个电极,针尖T固定在其中的一个电极上.尖端曲率半径为100nm左右的金属针尖,可用化学腐蚀法制备.两对电极上施加扫描电压时,针尖便在垂直于管轴z的x-y方向扫描,而z方向的高低变化则由加在内管壁上的电     

High quality sub-monolayer,monolayer, and bilayer graphene on Ru（0001）

High quality sub-monolayer, monolayer, and bilayer graphene were grown on Ru(0001). For the sub-monolayer graphene, the size of graphene islands with zigzag edges can be controlled by the dose of ethylene exposure. By increasing the dose of ethylene to 100 Langmuir at a high substrate temperature(800℃), high quality single-crystalline monolayer graphene was synthesized on Ru(0001). High quality bilayer graphene was formed by further increasing the dose of ethylene while reducing the cooling rate to 5℃/min. Raman spectroscopy revealed the vibrational states of graphene, G and 2D peaks appeared only in the bilayer graphene, which demonstrates that it behaves as the intrinsic graphene. Our present work affords methods to produce high quality sub-monolayer, monolayer, and bilayer graphene, both for basic research and applications.