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国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班

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国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

单分子隧道谱 & 原子分子操纵<br />

裘晓辉<br />

国家纳米科学中心


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Scanning Tunneling Microscopy (STM)<br />

Key issues:<br />

Extremely small mechanical vibration<br />

Extremely precise motion control<br />

I ∝ V exp( −Φ<br />

1/ 2<br />

s<br />

)


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Scanning Tunneling Microscopy (STM)<br />

- Seeing is believing<br />

Key issues:<br />

Extremely small mechanical vibration<br />

Extremely precise motional control<br />

Si(111) 7x7 reconstruction<br />

Binnig, G., Rohrer, H., Gerber, Ch., & Weibel, E. Physical Review Letters 49, 1 (1982a): 57-60


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

单分子隧道谱


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Scanning Metal-Insulator-Metal: Tunneling Spectroscopy Tunneling Spectroscopy<br />

(STS)<br />

Pyrex Al<br />

oxide<br />

10 10 molecules<br />

Al<br />

I<br />

=<br />

4πe<br />

h<br />

eV<br />

∫<br />

0<br />

I =<br />

[ ] 2<br />

ρ ( E − eV + ε ) ρ ( E + ε ) M dε<br />

s<br />

f<br />

F<br />

Z<br />

T<br />

( x,<br />

y,<br />

z,<br />

V<br />

proposed in 1985 by G. Binnig, et al.<br />

)<br />

F


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

dI/dV spectroscopy: superconductor, Kondo, etc.<br />

I<br />

∝<br />

eV<br />

∫<br />

0<br />

ρ ( E<br />

s<br />

F<br />

dI<br />

dV<br />

− eV + ε ) ρ ( E<br />

T<br />

F<br />

∝ ρ ( E − eV )<br />

s<br />

F<br />

+ ε ) dε


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

E f<br />

dI/dV spectroscopy: molecular orbitals<br />

V bias<br />

sample<br />

LUMO<br />

HOMO<br />

tip<br />

Vbias < 0,负偏压<br />

检测样品的电子占据态<br />

E f<br />

φ LUMO<br />

sample φtip<br />

sample tip<br />

HOMO<br />

V bias = 0<br />

E f<br />

V bias<br />

sample<br />

LUMO<br />

HOMO<br />

tip<br />

E f<br />

Vbias > 0,正偏压<br />

检测样品的电子空态<br />

Internal degrees of freedom a molecule:<br />

spin, translation, rotation, vibration, electronic


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

d 2 I/dV 2 spectroscopy:<br />

Inelastic Electron Tunneling Spectroscopy<br />

Substrate


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

A single molecule STS : instrumentation<br />

Ultra-high Vacuum:<br />

Low Temperature:<br />

base pressure:


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Single molecule vibrational spectroscopy:<br />

C2H2 on Cu(100)<br />

Science, Vol. 280, 1732 (1998), Stipe, Rezaei, and Ho


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Chemical specificity at SM level: STM-IETS<br />

Phys. Rev. Lett. 81, 1263-1266 (1998)


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Electron induced molecular rotation<br />

e


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Single molecule vibrational spectroscopy:


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

STM-IETS spectroscopy: the practical procedure<br />

• instrumentation: low temp<br />

• tip preparation: spatial resolution vs. energy resolution<br />

• lock-in: power spectrum, bias modulaion<br />

• data analysis: polarity symmetry, background subtraction<br />

Tunneling Current<br />

2 2<br />

2<br />

W = WI<br />

+ ( 1.<br />

7Vac)<br />

+ ( 5.<br />

4kBT<br />

/ e<br />

0<br />

V bias<br />

)<br />

2<br />

I(<br />

t)<br />

=<br />

V ( t)<br />

= V<br />

f ( V ( t))<br />

0<br />

I(<br />

t)<br />

= f ( V0<br />

) +<br />

12<br />

3<br />

I<br />

+ Asin(<br />

ωt)<br />

0<br />

∫<br />

d ( f ( V ( t))<br />

dV dV<br />

123<br />

dI<br />

dV


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

CuPc on Al 2 O 3 /NiAl(110)<br />

Phys. Rev. Lett., Vol. 93, 196806(2004)


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

dI/dV of CuPc


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Molecular orbital of CuPc<br />

LUMO<br />

HOMO


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Scanning tunneling spectroscopy of CuPc on oxide


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

A upclose view:


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数理学部实验物理讲习班<br />

Franck-Condon Principle<br />

• Spin<br />

• Translational<br />

• Rotational<br />

• Vibrational<br />

• Electronic } Vibronic States


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Vibronic excitation of CuPc: macrocyle, isoindole<br />

*<br />

*<br />

J. Phys. Chem, Vol. 90, 569 (1986)


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Vibronic state mediated electron transport<br />

LUMO<br />

involved<br />

HOMO<br />

involved


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

单原子分子的STM操纵


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Creatures of the Nano World -- Atoms<br />

Example: Carbon Atom<br />

proton<br />

neutron<br />

nucleus<br />

6 protons<br />

6 neutrons


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

2 1S Electrons<br />

4 2P Electrons<br />

nucleus


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

2 1S Electrons<br />

4 2P Electrons<br />

5 Carbon Atoms<br />

1 Nanometer


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

X 1000<br />

1 Micrometer<br />

X 1000<br />

1 Millimeter<br />

1 Nanometer<br />

1 Nanometer<br />

1 Micrometer<br />

100,000,000 typical atoms


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

A giant in a small world


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Electron induced molecular rotation<br />

e


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Standing waves in a two-dimensional electron gas


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

the smallest Au chain: where the orbital comes?<br />

6s-<br />

6s 6s 6s 6s band 6s 6s structure<br />

6s+


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

the smallest Au chain: where the orbital comes?


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Pull or Push ?


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

A single molecule mechanics: van der Waals interaction


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

A single molecule mechanics: electron & electric field<br />

Tunneli ng current (nA)<br />

Tunneling current (nA)<br />

4<br />

3<br />

2<br />

1<br />

0<br />

-1<br />

1.8V -1.8V -1.8V 1.8V<br />

-1.8V -1.8V 1.8V 1.8V -1.8V 1.8V<br />

Sample Bias (V)<br />

0.5<br />

-1.0<br />

-0.39 0 0.39 0.78 1.17<br />

∆ Z ( Å )<br />

-2<br />

LUMO-involved<br />

-2.0 -1.5 -1.0 Sa -0.5 mpl e 0.0 0.0Bi as 0.5 ( V) 1.0 1.5 2.0<br />

process<br />

Sample Bias (V)<br />

1.5<br />

1.0<br />

-1.5<br />

-2.0<br />

-<br />

+<br />

I II<br />

II I<br />

+<br />

-


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

How sharp an Xenon would be?


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

CO manipulation: vibrational multiexcitation<br />

R =<br />

Stipe, et al. Phys. Rev. Lett. 78, 4410 (1997)<br />

d<br />

Bartels, Meyer, Rieder, Phys. Rev. Lett. 80, 2004 (1998)<br />

I<br />

N


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Metal carbonyl: Single Bond Formation & Characterization<br />

H.J. Lee and W. Ho, Science 286, 1719 (1999)


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Construction of a visible Au-CuPc-Au “junction”<br />

Science, Vol. 302, 77 (2003)


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

An artificial single molecule junction<br />

Science, Vol. 302, 77 (2003)


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

dI/dV images of a single molecule junction:


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Single molecule chemical reaction


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Manipulation of Au adatom by a Voltage/Current Pulse<br />

• Shape of STM image changed<br />

reversibly by voltage pulse and<br />

tunneling current<br />

• Manipulated adatom scatter<br />

interface state with no bound<br />

states and is repelled by positive<br />

sample bias =><br />

Negatively Charged !?<br />

• Both states are stable and have<br />

different diffusion coefficients<br />

Au atom on NaCl bilayer supported by a Cu(111) surface


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

IBM PC : with a inside<br />

molecular cascade


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Spectroscopy<br />

(electronic, vibrational)<br />

Imaging<br />

(atomic or sub-molecular<br />

resolution)<br />

Manipulation<br />

(mechanical, electric field,<br />

low energy electrons)


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

谢谢!


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Scanning Tunneling Microscopy<br />

– Imaging, Spectroscopy, Manipulation<br />

Atomic structure of Si(111) Quantum corral<br />

Single molecule vibrational spectroscopy: STM-IETS<br />

Molecular cascade<br />

© IBM corporation

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