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
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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
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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
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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
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d 2 I/dV 2 spectroscopy:<br />
Inelastic Electron Tunneling Spectroscopy<br />
Substrate
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A single molecule STS : instrumentation<br />
Ultra-high Vacuum:<br />
Low Temperature:<br />
base pressure:
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Single molecule vibrational spectroscopy:<br />
C2H2 on Cu(100)<br />
Science, Vol. 280, 1732 (1998), Stipe, Rezaei, and Ho
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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)
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数理学部实验物理讲习班<br />
Electron induced molecular rotation<br />
e
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数理学部实验物理讲习班<br />
Single molecule vibrational spectroscopy:
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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
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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 />
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Molecular orbital of CuPc<br />
LUMO<br />
HOMO
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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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Franck-Condon Principle<br />
• Spin<br />
• Translational<br />
• Rotational<br />
• Vibrational<br />
• Electronic } Vibronic States
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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 />
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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 />
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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