基于单分子电导测量的分子辅助电荷转移等离激元模式的表征和调控

Molecular Electronic Plasmonics is a promising area of research that utilizes the electronic properties of molecules to control and modulate surface plasmons. Since novel charge transfer plasmon mediated by single molecules will occur at the quantum scale, this area offers future potential for teraherz single-molecule optoelectronic device. However, the ability to elaborately tuning plasmonic effect by the charge transport properties of single molecules remains challenging. Based on our previous studies on the electronic characterization of single molecular junction, we propose a new technique using mechanically controllable break junction (MCBJ) method to study the charge transfer plasmon effect by measuring single-molecule conductances and scattering spectroscopies of molecule assembled nanostructures. In this project, we will prepare micro-chips with highly-confined nanostructure by nano-fabrication techniques, then fabricate single molecular junction inside the nanogap of the nanostructures for the conductance measurement by MCBJ technique. Then, the combination for dark-field scattering spectroscopy measurement with MCBJ will be realized to obtain the molecular tunneling assisted charge transfer plasmon. Furthermore, we will introduce different molecular junction systems to tune the charge transport to monitor the spectroscopic change of the nanostructures, so that to generalize the correlation between single-molecule conductance and the charge transfer plasmon. Our proposal offers a unique opportunity and testbed for the study of molecular electronic plasmonics.

分子电子等离激元学是分子电子学与等离激元学的有机结合，是二者近年来的研究方向和研究热点，有望观测到一系列新奇的量子尺度下的分子辅助电荷转移等离激元现象，为未来太赫兹频段单分子光电器件的开发提供依据。但是，在现有技术下，如何通过分子的电荷输运性质精确调控纳米结构的光学性质的研究仍极具挑战。本项目基于申请人此前的研究基础，提出了一种利用单分子电导和相应组装纳米结构散射光谱的测量开展分子辅助等离激元学研究的全新实验方法。本项目首先将通过微纳加工技术制备具有超细限域纳米结构的微芯片，利用机械可控裂结技术实现微芯片纳米结构中精细、稳定的单分子结的构筑，获得单分子结电荷输运性质。同时实现机械可控裂结技术与反射式暗场散射谱的全面兼容，获得通过分子结构筑的纳米结构的光学性质。以此为基础，通过不同分子体系的引入调控分子结的电荷输运性质，归纳出单分子电导与分子辅助电荷转移等离激元的内在联系和一般规律。

分子电子等离激元光子学是分子电子学与等离激元光学结合形成的前沿交叉学科，是二者近年来的研究热点，有望通过光谱学手段，观测到分子电子学所研究的单分子量子限域尺度下的一些新奇物理化学现象。在本项目的支持下，项目负责人建立了一套单分子电输运性质测量仪器方法学，实现了可靠、高重现、高灵敏度的单分子电输运性质测量，并实现分子组装的纳米结构构型精确调控和检测的全新实验方法，预示了有机分子器件在未来电子器件小型化方面具有重要的应用潜力；进一步发展了单分子尺度化学反应动力学的定量表征方法，发现了间隔内强电场对化学反应的选择性加速作用，证明了外加电场将可能作为一种非化学物质的催化剂，有助于未来绿色高效有机合成的实现；获得了双针尖分子结体系的电学和光谱学联用表征，利用光谱学手段实现单分子尺度内化学反应的检测。在此基础上，搭建了单分子热电性质表征装置，实现了单分子尺度材料的热电势测量，并通过栅压调控实现了分子组装纳米结构的能级调控，并进一步实现热电势的栅压调节，有望获得分子热电晶体管器件。.在本项目的支持下，项目负责人以第一作者（含共同第一作者）或通讯作者发表论文9篇，包括Chem（1篇）、Sci. Adv.（2篇）、Acc. Chem. Res.（1篇）、Chem. Sci.（1篇）、Sci. China Chem.（2篇）、J. Mater. Chem. C（1篇）、Small Methods（1篇），且部分项目研究成果还在投稿阶段，并参与合作发表论文19篇。作为第一参与人参与国家自然科学基金重点项目和面上项目各一项，并获得厦门大学南强学者拔尖计划B类人才项目的支持。