金属原子线和非氧化-还原型分子结电导的电化学门控研究

Metal atomic-size wire and metal-molecule-metal junction exhibit novel quantum transport properties, and the control of their charge transport is an important and challenging issue in current nano-electronics and molecular electronics. The traditional conductance measurement methods are usually only suitable to construct and study the atomic-size wire of noble metal, which has single channel with stable transmission at ambient temperature and pressure. The limitation of the measurement methods and system restricts the investigation of gate controlling conductance of metal atomic-size wire and non-redox molecular junction. In this project, the conductance and its electrochemical gating effect of atomic-size wire, such as Cd and Zn not or seldom reported in literature, will be investigated by the electrochemical strategy STM-break junctions through jump-to-contact mechanism, and then the effect of field effect transistor will be carried out on the single atom level. We will also extend this approach to study the non-redox molecular junction. The electrochemical gating mechanism will be concluded by combining the experimental results and the theoretical calculation. This work will help to overcome the difficulties and limitations that traditional metal-oxide semiconductor technology faces upon further downscaling, and also contribute to the development of the nano-electronics and nano-devices.

金属原子线及金属-分子-金属结具有特殊的量子输运行为，对其输运行为的调控是当前纳/分子电子学研究中重要而富有挑战性的课题。目前，常温常压下，传统的方法通常仅适合构建和研究少数不易受外界条件影响的、具有单通道导电机理的贵金属体系的原子线和电导，因而限制了对金属原子线以及分子结电导的门控研究。本项目拟利用申请者发展的基于跳跃接触的电化学扫描隧道显微镜裂结技术(ECSTM-BJ)，构建和研究未见文献报道或传统方法较难测量的Cd和Zn等金属原子线及其电导，重点研究其电导的电化学门控，并从单原子尺寸上研究场效应晶体管效应；研究ECSTM-BJ方法对非氧化-还原型分子的分子结电导及其电子输运的电化学门控；同时，结合理论计算，揭示电化学对金属原子线和非氧化-还原型分子的电荷输运的调控机理。本研究有助于解决传统半导体器件不断微型化所面临的诸多挑战和限制，为纳电子学/器件的应用研究提供基础。

金属原子线及金属-分子-金属结具有特殊的量子输运行为，对其输运行为的调控是当前纳/分子电子学研究中重要而富有挑战性的课题。目前，常温常压下，传统的方法通常仅适合构建和研究少数不易受外界条件影响的、具有单通道导电机理的贵金属体系的原子线和电导，因而限制了对金属原子线以及分子结电导的门控研究。本项目进一步发展的申请者提出的基于跳跃接触的电化学扫描隧道显微镜裂结技术(ECSTM-BJ)，成功构建了Cd、Zn和Cu 等金属原子线及其电导，并且研究了电导随电化学电位的变化，首次发现了金属原子线具备连续调控能力，实现了基于单原子场效应晶体管功能。系统研究了非氧化-还原型分子在不同金属电极下的电化学调控，证实非氧化还原分子也可发生调控。结合理论计算，揭示电化学对金属原子线和非氧化-还原型分子的电荷输运的调控机理。进一步，我们利用电化学方法对羧酸分子的作用位点进行了研究，发现其可以一个氧或两个氧的形式与电极作用；同时发现插入不同长度的烷基链对量子干涉现象有明显的影响；同时，研究了折叠分子的电子输运性质，结果表明分子内部存在的额外的π-π堆积的键，有助于提早电子传输效率。本研究有利于深入理解分子结的电子输运机理，有助于解决传统半导体器件不断微型化所面临的诸多挑战和限制，为纳电子学/器件的应用研究提供基础。