新科学想法 › 学术文库 › 学术文献 › 浏览文献

Imaging the charge distribution within a single molecule

唐唐添加于 2012-2-29 23:49 | 6282 次阅读 | 0 个评论

作者
Mohn F, Gross L, Moll N, Meyer G
摘要
Scanning tunnelling microscopy and atomic force microscopy can be used to study the electronic and structural properties of surfaces, as well as molecules and nanostructures adsorbed on surfaces, with atomic precision1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, but they cannot directly probe the distribution of charge in these systems. However, another form of scanning probe microscopy, Kelvin probe force microscopy, can be used to measure the local contact potential difference between the scanning probe tip and the surface, a quantity that is closely related to the charge distribution on the surface8, 9, 10, 11, 12. Here, we use a combination of scanning tunnelling microscopy, atomic force microscopy and Kelvin probe force microscopy to examine naphthalocyanine molecules (which have been used as molecular switches13) on a thin insulating layer of NaCl on Cu(111). We show that Kelvin probe force microscopy can map the local contact potential difference of this system with submolecular resolution, and we use density functional theory calculations to verify that these maps reflect the intramolecular distribution of charge. This approach could help to provide fundamental insights into single-molecule switching and bond formation, processes that are usually accompanied by the redistribution of charge within or between molecules14, 15, 16.
详细资料
- 文献种类: Journal Article
- 期刊名称: Nature Nanotechnology
- 期刊缩写: Nature Nanotech
- 期卷页: 2012年
- ISBN: 1748-3387
学科领域信息系统 » 理论信息学
相关链接 DOI URL

唐唐的文献笔记订阅

单分子内电荷分布成像首次实现

据美国物理学家组织网2月27日报道，IBM苏黎世研究所的科学家首次成功地为单个分子内的电荷分布成像。这一成就将使科学家能对单分子开关、原子与分子间键的形成进行深入研究，也使这一技术在未来太阳能的光能转化、能量存储或分子尺度的计算设备等领域拥有巨大的应用潜力。

IBM公司的科学家使用一类特殊的原子力显微镜——开尔文探针力显微镜，在低温环境和超高真空内，直接为单个萘酞菁有机分子内的电荷分布进行了成像。研究发表在最新一期的《自然—纳米技术》杂志上。

尽管扫描隧道显微镜能被用来为一个分子的电子轨道成像；原子力显微镜也能被用来分解分子结构，但迄今为止，人们还不能为单个分子内的电荷分布成像。

加州大学伯克利分校的物理学教授米歇尔·克罗米表示：“最新研究展示了一项非常重要的新能力，借助这一技术，科学家们以后能直接测量单个分子内的电荷是如何自我安排的。理解这种电荷分布对于理解分子在不同环境下如何工作非常关键。这一技术将对物理、化学和生物学的很多领域产生重要影响。”

实际上，IBM的新技术与扫描隧道显微镜和原子力显微镜一起，相互补充地为科学家们提供了与分子有关的信息，展示了分子的不同属性。就像X射线、磁共振成像（MRI）或超声波等医学影像技术，能相辅相成地提供与个人的身体情况和健康状况有关的信息一样。

该研究的领导者、IBM苏黎世研究所纳米尺度体系研究小组的物理学家费边·蒙表示：“这项技术为我们提供了另外一条信息通道，将进一步扩展我们对纳米尺度物理学的理解。借此技术，科学家们将能在单分子尺度上调查，当单个化学键在原子和分子表面间形成时，电荷是如何被重新分布的。当我们建造原子和分子尺度的设备时，这一点不可或缺。”

例如，这项技术能被用来研究所谓的电荷转移络合物内的电荷分离和电荷输送情况。这些络合物由两个或多个分子组成，拥有巨大的应用潜力，可用于能量存储或光伏学等领域，很多科学家正在对它们进行深入研究。

在IBM苏黎世研究所领导STM和AFM研究活动的资深科学家杰拉德·梅尔补充道：“这项研究标志着我们使用扫描探针显微镜（SPM）在原子尺度控制和探索分子系统方面取得了重大进展。”（来源：科技日报刘霞）