基于裂结技术的分子输运

裂结技术 (BJ) 为在环境条件下研究单分子提供了一种可靠的方法，并且为构建通过单分子属性控制的新型纳米电子器件铺平了道路。裂结有三种类型：

1. 机械可控裂结 (MCBJ)
2. 电迁移裂结 (EMBJ)
3. 扫描隧道显微镜裂结 (STM-BJ)

本页面重点介绍 MCBJ。MCBJ 具备易于制造和长期操作稳定的特点，因此得到广泛应用。机械可控裂结由光刻定义的金属狭窄结构组成，该结构悬置于柔性基底上方。机械结构制备完成后，可以通过溶液或真空的方式引入分子，并通过比较有分子和无分子的电导测量来确认分子的存在。两个结电极之间的距离，即结宽，可以通过机械方式改变，并使用压电平台进行微调。分子输运可以进一步通过金属门控电极进行静电控制，或使用透明玻璃基底进行光学控制。

MCBJ 测量的最大挑战之一是如何确定单个分子的存在。为了捕获分子，需要在浸入气态或液态分子环境的条件下使结断裂。单个分子具有数量明确的量子化导电通道，这些通道可通过电荷输运进行探测。因此，测量开始时，首先要让电流 (I) 通过一个连续打开和闭合的结，由交流电压激励 (V) 驱动，从而得出通过结的电导 (G) = I/V。

当结处于闭合状态时，导电发生在结的少数原子上，并表现出量子化的电导，这种电导是电导量子 (G0 = 2e²/h) 的整数倍。当结断裂并在电极之间形成间隙时，由于隧道效应，电导随结宽的增加而大幅下降，因此 G 远远小于 G0。在这种情况下，只要有一个分子附着在电极之间，便会出现电导平台，即使结宽进一步增加。

一旦识别出这一电导平台，会激活一个控制环路，使结宽保持不变，以便进行后续的能谱研究。在这个 PID 控制环路中，反馈机制基于与结宽成比例的压电电压输出。

由于分子与金属引线的结合随着结的打开和闭合会发生变化，整个过程具有随机性且存在噪声。在这些情况下，可使用锁相放大器，通过信号调制和滤波来提高信噪比。使用苏黎世仪器的 MFLI 锁相放大器，可以测量结的 I-V 特性，并结合高阶电导项来确定单个分子的振动谱。为获得最佳测量结果，电流输入的动态范围必须覆盖五个以上的数量级，以便捕获所有的结配置。

MFLI 锁相放大器有助于简化 MCBJ 设置，更快得出测量结果。

• 使用专用的低噪声电流输入，以高信噪比测量结电流，支持从 pA 到 mA 的宽动态范围。

• 测量和分析工具实现一体化：利用 MF-PID 选件，可以保持结宽和电导水平不变；使用 MF-MD 选件，可以同时捕获直流、交流和电导的二阶导数，并将全部数据数字化以满足后续深入分析需求。
• 借助 LabOne® 仪器控制软件提供的 Scope（示波器）、Plotter（绘图仪）、Spectroscope（频谱仪）和 Sweeper（参数扫描仪）等工具，可减少数据后处理所需的时间。
• 利用支持 Python、C、MATLAB®、LabVIEW™ 和 .NET 的应用程序接口，实现测量工作流程自动化。