基于裂结技术的单分子尺度化学反应研究进展

余培锴 冯安妮 赵世强 魏珺颖 杨扬 师佳 洪文晶

引用本文: 余培锴, 冯安妮, 赵世强, 魏珺颖, 杨扬, 师佳, 洪文晶. 基于裂结技术的单分子尺度化学反应研究进展[J]. 物理化学学报, 2019, 35(8): 829-839. doi: 10.3866/PKU.WHXB201811027 shu
Citation:  YU Peikai, FENG Anni, ZHAO Shiqiang, WEI Junying, Yang YANG, SHI Jia, HONG Wenjing. Recent Progress of Break Junction Technique in Single-Molecule Reaction Chemistry[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(8): 829-839. doi: 10.3866/PKU.WHXB201811027 shu

基于裂结技术的单分子尺度化学反应研究进展

    作者简介:



    杨扬,1986年生。2014年在厦门大学获博士学位;现为厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院助理教授、硕士生导师。主要研究方向为单分子器件、界面电化学和纳米尺度构筑方法;

    洪文晶,1985年生。2013年在瑞士的伯尔尼大学获博士学位;国家优秀青年基金获得者,现为厦门大学化学化工学院教授、博士生导师、教授委员会副主任、化工系主任。主要研究方向为单分子尺度研究、精密科学仪器研发和人工智能的工业应用;
    通讯作者: 杨扬, yangyang@xmu.edu.cn; 洪文晶, whong@xmu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2017YFA0204902)和福建省自然科学基金(2016J05162)资助项目

摘要: 分子电子学是研究单分子器件的构筑、性质以及功能调控的一门新兴学科。其中,金属/分子/金属结的构筑和表征是现阶段分子电子学的主要研究内容。裂结技术是当前分子电子学研究的主要实验方法,主要包括机械可控裂结技术和扫描隧道显微镜裂结技术。本文对裂结技术进行了介绍,并对近年来利用这些技术,在单分子尺度化学反应的检测和动力学研究,以及将这些技术与溶液环境、静电场、电化学门控等方法相结合,调控单分子器件的电输运性质等方面所取得的进展进行了概述。

English

    1. [1]

      Aviram, A.; Ratner, M. A. Chem. Phys. Lett. 1974, 29 (2), 277. doi: 10.1016/0009-2614(74)85031-1

    2. [2]

      Reed, M. A.; Zhou, C.; Muller, C. J.; Burgin, T. P.; Tour, J. M. Science 1997, 278 (5336), 252. doi: 10.1126/science.278.5336.252

    3. [3]

      Xu, B.; Tao, N. J. Science 2003, 301 (5637), 1221. doi: 10.1126/science.1087481

    4. [4]

      Guo, X.; Small, J. P.; Klare, J. E.; Wang, Y.; Purewal, M. S.; Tam, I. W.; Hong, B. H.; Caldwell, R.; Huang, L.; O'Brien, S.; et al. Science 2006, 311 (5759), 356. doi: 10.1126/science.1120986

    5. [5]

      杨扬, 刘俊扬, 晏润文, 吴德印, 田中群.高等学校化学学报, 2015, 36 (1), 9. doi: 10.7503/cjcu20140941Yang, Y.; Liu, J. Y.; Yan, R. W.; Wu, D. Y.; Tian, Z. Q. Chem. J. Chin. Univ. 2015, 36 (1), 9 doi: 10.7503/cjcu20140941

    6. [6]

      Ho Choi, S.; Kim, B.; Frisbie, C. D. Science 2008, 320 (5882), 1482. doi: 10.1126/science.1156538

    7. [7]

      Cai, Z.; Lo, W.; Zheng, T.; Li, L.; Zhang, N.; Hu, Y.; Yu, L. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138 (33), 10630. doi: 10.1021/jacs.6b05983

    8. [8]

      Zhen, S.; Mao, J. C.; Chen, L.; Ding, S.; Luo, W.; Zhou, X. S.; Qin, A.; Zhao, Z.; Tang, B. Z. Nano Lett. 2018, 18 (7), 4200. doi: 10.1021/acs.nanolett.8b01082

    9. [9]

      Chen, L.; Wang, Y. H.; He, B.; Nie, H.; Hu, R.; Huang, F.; Qin, A.; Zhou, X. S.; Zhao, Z.; Tang, B. Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54 (14), 4231. doi: 10.1002/anie.201411909

    10. [10]

      Jia, C.; Migliore, A.; Xin, N.; Huang, S.; Wang, J.; Yang, Q.; Wang, S.; Chen, H.; Wang, D.; Feng, B.; et al. Science 2016, 352 (6292), 1443. doi: 10.1126/science.aaf6298

    11. [11]

      Su, T. A.; Li, H.; Steigerwald, M. L.; Venkataraman, L.; Nuckolls, C. Nat. Chem. 2015, 7, 215. doi: 10.1038/nchem.2180

    12. [12]

      Frisbie, C. D. Science 2016, 352 (6292), 1394. doi: 10.1126/science.aag0827

    13. [13]

      Wen, H.; Li, W.; Chen, J.; He, G.; Li, L.; Olson, M. A.; Sue, A. C. H.; Stoddart, J. F.; Guo, X. Sci. Adv. 2016, 2 (11), 1601113. doi: 10.1126/sciadv.1601113

    14. [14]

      Díez-Pérez, I.; Hihath, J.; Lee, Y.; Yu, L.; Adamska, L.; Kozhushner, M. A.; Oleynik, I. I.; Tao, N. Nat. Chem. 2009, 1, 635. doi: 10.1038/nchem.392

    15. [15]

      Chen, X. P.; Roemer, M.; Yuan, L.; Du, W.; Thompson, D.; del Barco, E.; Nijhuis, C. A. Nat. Nanotechnol. 2017, 12 (8), 797. doi: 10.1038/nnano.2017.110

    16. [16]

      Xiang, D.; Wang, X.; Jia, C.; Lee, T.; Guo, X. Chem. Rev. 2016, 116 (7), 4318. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00680

    17. [17]

      Tao, N. J. Nat. Nanotechnol. 2006, 1 (3), 173. doi: 10.1038/nnano.2006.130

    18. [18]

      Quek, S. Y.; Kamenetska, M.; Steigerwald, M. L.; Choi, H. J.; Louie, S. G.; Hybertsen, M. S.; Neaton, J. B.; Venkataraman, L. Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 230. doi: 10.1038/nnano.2009.10

    19. [19]

      Yang, G.; Wu, H.; Wei, J.; Zheng, J.; Chen, Z.; Liu, J.; Shi, J.; Yang, Y.; Hong, W. Chin. Chem. Lett. 2018, 29 (1), 147. doi: 10.1016/j.cclet.2017.06.015

    20. [20]

      Venkataraman, L.; Klare, J. E.; Nuckolls, C.; Hybertsen, M. S.; Steigerwald, M. L. Nature 2006, 442, 904. doi: 10.1038/nature05037

    21. [21]

      Mao, J. C.; Peng, L. L.; Li, W. Q.; Chen, F.; Wang, H. G.; Shao, Y.; Zhou, X. S.; Zhao, X. Q.; Xie, H.; Niu, Z. J. J. Phys. Chem. C 2017, 121 (3), 1472. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b10925

    22. [22]

      Martin, C. A.; Ding, D.; Sorensen, J. K.; Bjornholm, T.; van Ruitenbeek, J. M.; van der Zant, H. S. J. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130 (40), 13198. doi: 10.1021/ja804699a

    23. [23]

      Smit, R. H. M.; Noat, Y.; Untiedt, C.; Lang, N. D.; van Hemert, M. C.; van Ruitenbeek, J. M. Nature 2002, 419, 906. doi: 10.1038/nature01103

    24. [24]

      Kiguchi, M.; Miura, S.; Hara, K.; Sawamura, M.; Murakoshi, K. Appl. Phys. Lett. 2007, 91 (5), 053110. doi: 10.1063/1.2757592

    25. [25]

      Yang, Y.; Liu, J.; Zheng, J.; Lu, M.; Shi, J.; Hong, W.; Yang, F.; Tian, Z. Nano Res. 2017, 10 (10), 3314. doi: 10.1007/s12274-017-1544-0

    26. [26]

      Li, Y.; Demir, F.; Kaneko, S.; Fujii, S.; Nishino, T.; Saffarzadeh, A.; Kirczenow, G.; Kiguchi, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17 (48), 32436. doi: 10.1039/c5cp05227k

    27. [27]

      Peng, L. L.; Chen, F.; Hong, Z. W.; Zheng, J. F.; Fillaud, L.; Yuan, Y.; Huang, M. L.; Shao, Y.; Zhou, X. S.; Chen, J. Z.; et al. Nanoscale 2018, 10 (15), 7026. doi: 10.1039/c8nr00625c

    28. [28]

      Hong, Z. W.; Aissa, M. A. B.; Peng, L. L.; Xie, H.; Chen, D. L.; Zheng, J. F.; Shao, Y.; Zhou, X. S.; Raouafi, N.; Niu, Z. J. Electrochem. Commun. 2016, 68, 86. doi: 10.1016/j.elecom.2016.05.002

    29. [29]

      Li, H. X.; Su, T. A.; Camarasa-Gomez, M.; Hernangomez-Perez, D.; Henn, S. E.; Pokorny, V.; Caniglia, C. D.; Inkpen, M. S.; Korytar, R.; Steigerwald, M. L.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56 (45), 14145. doi: 10.1002/anie.201708524

    30. [30]

      Wang, Y. H.; Hong, Z. W.; Sun, Y. Y.; Li, D. F.; Han, D.; Zheng, J. F.; Niu, Z. J.; Zhou, X. S. J. Phys. Chem. C 2014, 118 (32), 18756. doi: 10.1021/jp505374v

    31. [31]

      Guo, X. F.; Gorodetsky, A. A.; Hone, J.; Barton, J. K.; Nuckolls, C. Nat. Nanotechnol. 2008, 3 (3), 163. doi: 10.1038/nnano.2008.4

    32. [32]

      Zhou, C.; Li, X. X.; Gong, Z. L.; Jia, C. C.; Lin, Y. W.; Gu, C. H.; He, G.; Zhong, Y. W.; Yang, J. L.; Guo, X. F. Nat. Commun. 2018, 9, 807. doi: 10.1038/s41467-018-03203-1

    33. [33]

      Moreland, J.; Ekin, J. W. J. Appl. Phys. 1985, 58 (10), 3888. doi: 10.1063/1.335608

    34. [34]

      Xiang, D.; Jeong, H.; Lee, T.; Mayer, D. Adv. Mater. 2013, 25 (35), 4845. doi: 10.1002/adma.201301589

    35. [35]

      Wang, L.; Wang, L.; Zhang, L.; Xiang, D. Top. Current Chem. 2017, 375 (3), 61. doi: 10.1007/s41061-017-0149-0

    36. [36]

      Reichert, J.; Ochs, R.; Beckmann, D.; Weber, H. B.; Mayor, M.; Löhneysen, H. V. Phys. Rev. Lett. 2002, 88 (17), 176804. doi: 10.1103/PhysRevLett.88.176804

    37. [37]

      Yang, Y.; Gantenbein, M.; Alqorashi, A.; Wei, J.; Sangtarash, S.; Hu, D.; Sadeghi, H.; Zhang, R.; Pi, J.; Chen, L.; et al. J. Phys. Chem. C 2018, 122 (26), 14965. doi: 10.1021/acs.jpcc.8b03023

    38. [38]

      Sun, Y. Y.; Peng, Z. L.; Hou, R.; Liang, J. H.; Zheng, J. F.; Zhou, X. Y.; Zhou, X. S.; Jin, S.; Niu, Z. J.; Mao, B. W. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16 (6), 2260. doi: 10.1039/c3cp53269k

    39. [39]

      Wen, H. M.; Yang, Y.; Zhou, X. S.; Liu, J. Y.; Zhang, D. B.; Chen, Z. B.; Wang, J. Y.; Chen, Z. N.; Tian, Z. Q. Chem. Sci. 2013, 4 (6), 2471. doi: 10.1039/C3SC50312G

    40. [40]

      Liu, J.; Zhao, X.; Al-Galiby, Q.; Huang, X.; Zheng, J.; Li, R.; Huang, C.; Yang, Y.; Shi, J.; Manrique, D. Z.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56 (42), 13061. doi: 10.1002/anie.201707710

    41. [41]

      Yang, G.; Sangtarash, S.; Liu, Z.; Li, X.; Sadeghi, H.; Tan, Z.; Li, R.; Zheng, J.; Dong, X.; Liu, J.; et al. Chem. Sci. 2017, 8 (11), 7505. doi: 10.1039/C7SC01014A

    42. [42]

      Perrin, M. L.; Verzijl, C. J. O.; Martin, C. A.; Shaikh, A. J.; Eelkema, R.; van Esch, J. H.; van Ruitenbeek, J. M.; Thijssen, J. M.; van der Zant, H. S. J.; Dulić, D. Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 282. doi: 10.1038/nnano.2013.26

    43. [43]

      Song, H.; Kim, Y.; Jang, Y. H.; Jeong, H.; Reed, M. A.; Lee, T. Nature 2009, 462 (7276), 1039. doi: 10.1038/nature08639

    44. [44]

      Xiang, D.; Jeong, H.; Kim, D.; Lee, T.; Cheng, Y.; Wang, Q.; Mayer, D. Nano Lett. 2013, 13 (6), 2809. doi: 10.1021/nl401067x

    45. [45]

      Aragonès, A. C.; Haworth, N. L.; Darwish, N.; Ciampi, S.; Bloomfield, N. J.; Wallace, G. G.; Diez-Perez, I.; Coote, M. L. Nature 2016, 531, 88. doi: 10.1038/nature16989

    46. [46]

      Zhang, L.; Laborda, E.; Darwish, N.; Noble, B. B.; Tyrell, J. H.; Pluczyk, S.; Le Brun, A. P.; Wallace, G. G.; Gonzalez, J.; Coote, M. L.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140 (2), 766. doi: 10.1021/jacs.7b11628

    47. [47]

      Xiao, X. Y.; Xu, B. Q.; Tao, N. J. Nano Lett. 2004, 4 (2), 267. doi: 10.1021/nl035000m

    48. [48]

      Darwish, N.; Díez-Pérez, I.; Da Silva, P.; Tao, N.; Gooding, J. J.; Paddon-Row, M. N. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51 (13), 3203. doi: 10.1002/anie.201107765

    49. [49]

      Baghernejad, M.; Zhao, X.; Baruël Ørnsø, K.; Füeg, M.; Moreno-García, P.; Rudnev, A. V.; Kaliginedi, V.; Vesztergom, S.; Huang, C.; Hong, W.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (52), 17922. doi: 10.1021/ja510335z

    50. [50]

      Li, Y.; Baghernejad, M.; Qusiy, A. G.; Zsolt Manrique, D.; Zhang, G.; Hamill, J.; Fu, Y.; Broekmann, P.; Hong, W.; Wandlowski, T.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54 (46), 13586. doi: 10.1002/anie.201506458

    51. [51]

      Xiang, L.; Palma, J. L.; Li, Y.; Mujica, V.; Ratner, M. A.; Tao, N. Nat. Commun. 2017, 8, 14471. doi: 10.1038/ncomms14471

    52. [52]

      Yang, Y.; Liu, J. Y.; Chen, Z. B.; Tian, J. H.; Jin, X.; Liu, B.; Li, X.; Luo, Z. Z.; Lu, M.; Yang, F. Z.; et al. Nanotechnology 2011, 22 (27), 275313. doi: 10.1088/0957-4484/22/27/275313

    53. [53]

      Venkataraman, L.; Klare, J. E.; Tam, I. W.; Nuckolls, C.; Hybertsen, M. S.; Steigerwald, M. L. Nano Lett. 2006, 6 (3), 458. doi: 10.1021/nl052373+

    54. [54]

      Huang, C.; Jevric, M.; Borges, A.; Olsen, S. T.; Hamill, J. M.; Zheng, J.; Yang, Y.; Rudnev, A.; Baghernejad, M.; Broekmann, P.; et al. Nat. Commun. 2017, 8, 15436. doi: 10.1038/ncomms15436

    55. [55]

      Halbritter, A.; Makk, P.; Mackowiak, S.; Csonka, S.; Wawrzyniak, M.; Martinek, J. Phys. Rev. Lett. 2010, 105 (26). doi: 10.1103/PhysRevLett.105.266805

    56. [56]

      Guan, J.; Jia, C.; Li, Y.; Liu, Z.; Wang, J.; Yang, Z.; Gu, C.; Su, D.; Houk, K. N.; Zhang, D. Sci. Adv. 2018, 4 (2), 2177. doi: 10.1126/sciadv.aar2177

    57. [57]

      Gu, C.; Hu, C.; Wei, Y.; Lin, D.; Jia, C.; Li, M.; Su, D.; Guan, J.; Xia, A.; Xie, L. Nano Lett. 2018, 18 (7), 4156. doi: 10.1021/acs.nanolett.8b00949

    58. [58]

      王海燕, 石高全.物理化学学报, 2018, 34 (1), 22. doi: 10.3866/PKU.WHXB201706302Wang, H. Y.; Quan, S. G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34 (1), 22. doi: 10.3866/PKU.WHXB201706302

    59. [59]

      李勇军, 李玉良.物理化学学报, 2018, 34 (9), 992. doi: 10.3866/PKU.WHXB201801302Jun, L. Y.; Li, Y. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34 (9), 992. doi: 10.3866/PKU.WHXB201801302

    60. [60]

      Tian, J. H.; Liu, B.; Li, X.; Yang, Z. L.; Ren, B.; Wu, S. T.; Tao, N.; Tian, Z. Q. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128 (46), 14748. doi: 10.1021/ja0648615

    61. [61]

      Tian, J. H.; Liu, B.; Jin, S.; Dai, K.; Chen, Z. B.; Li, X.; Ke, H.; Wu, S. T.; Yang, Y.; Ren, B.; et al. A Combined SERS and MCBJ Study on Molecular Junctions on Silicon Chips. In 7th IEEE NANO, Proceedings of the 7th IEEE International, Hong Kong, China, Aug 2−5, 2007; IEEE: Hong Kong, 2008. doi: 10.1109/NANO.2007.4601421

    62. [62]

      Konishi, T.; Kiguchi, M.; Takase, M.; Nagasawa, F.; Nabika, H.; Ikeda, K.; Uosaki, K.; Ueno, K.; Misawa, H.; Murakoshi, K. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135 (3), 1009. doi: 10.1021/ja307821u

    63. [63]

      Yang, Y.; Chen, Z.; Liu, J.; Lu, M.; Yang, D.; Yang, F.; Tian, Z. Nano Res. 2011, 4 (12), 1199. doi: 10.1007/s12274-011-0170-5

    64. [64]

      Pontes, R. B.; Rocha, A. R.; Sanvito, S.; Fazzio, A.; da Silva, A. J. R. ACS Nano 2011, 5 (2), 795. doi: 10.1021/nn101628w

    65. [65]

      Martin, C. A.; Ding, D.; van der Zant, H. S. J.; van Ruitenbeek, J. M. New J. Phys. 2008, 10, 065008. doi: 10.1088/1367-2630/10/6/065008

    66. [66]

      Zheng, J. T.; Yan, R. W.; Tian, J. H.; Liu, J. Y.; Pei, L. Q.; Wu, D. Y.; Dai, K.; Yang, Y.; Jin, S.; Hong, W.; et al. Electrochim. Acta 2016, 200, 268. doi: 10.1016/j.electacta.2016.03.129

    67. [67]

      Yang, Y.; Liu, J.; Feng, S.; Wen, H.; Tian, J.; Zheng, J.; Schöllhorn, B.; Amatore, C.; Chen, Z.; Tian, Z. Nano Res. 2016, 9 (2), 560. doi: 10.1007/s12274-015-0937-1

    68. [68]

      Wang, L.; Li, S. Y.; Yuan, J. H.; Gu, J. Y.; Wang, D.; Wan, L. J. Chem. Asian J. 2014, 9 (8), 2077. doi: 10.1002/asia.201402196

    69. [69]

      Zheng, J.; Liu, J.; Zhuo, Y.; Li, R.; Jin, X.; Yang, Y.; Chen, Z.; Shi, J.; Xiao, Z.; Hong, W.; et al. Chem. Sci. 2018, 9 (22), 5033. doi: 10.1039/C8SC00727F

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  11
  • 文章访问数:  457
  • HTML全文浏览量:  31
文章相关
  • 发布日期:  2019-08-15
  • 收稿日期:  2018-11-16
  • 接受日期:  2018-12-20
  • 修回日期:  2018-12-19
  • 网络出版日期:  2018-08-25
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章