基于裂結技術的單分子尺度化學反應研究進展

余培鍇，馮安妮，趙世強，魏珺穎，楊揚，師佳，洪文晶

廈門大學化學化工學院，薩本棟微米納米科學技術研究院，福建 廈門 361005

1 引言

1974年，Aviram和Ratner對一個D-σ-A型分子的單分子電流-電壓(I-V)特性曲線進行了理論模擬，發現這類分子具有整流效應，提出了單分子二極管的概念1。自此，分子電子學作為納電子學的一個重要分支，數十年來一直吸引著研究者們的興趣2-5。20世紀80年代中后期，隨著掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscopy，STM)、原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM)、微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)相關加工等技術的出現和發展，研究者們在實驗上成功構筑并測量了許多分子器件，如分子導線6-9、分子開關10-12、分子傳感器13、分子整流器14,15，等。

由于單個分子的長度常小于10 nm，難以與測量儀器直接相連，所以常需要通過構筑分子結來實現對單個分子性能的研究。分子結是構成單分子測量電路的一個基本單元16,17，一般由修飾有錨定基團的目標分子和電極對所組成。金屬/分子/金屬結是最常見的一種單分子結(如圖1)。基于錨定基團與金屬電極的相互作用，分子可以被連接到測量回路中，在此基礎上，通過對回路中的電信號進行采集和轉化，分子結的電導可以被成功測量。

圖1 金屬/分子/金屬結示意圖Fig. 1 Schematic of metal/molecule/metal junction.

2 單分子測量裂結技術

在單分子測量電路的構筑過程中，錨定基團的選擇和納米間隔電極對的制備是實驗的關鍵點和難點。錨定基團方面，研究者們已發現，吡啶基(―Py)18、巰基(―SH)19、氨基(―NH2)20、噻吩21、富勒烯22等均可以起到錨定基團的作用。在納米間隔電極對的構筑方面，研究者們常采用裂結技術，主要有機械可控裂結技術(Mechanically Controllable Break Junction，MCBJ)和掃描隧道顯微鏡裂結技術(STM Break Junction，STM-BJ)兩種。近年來，隨著裂結技術的發展，納米間隔電極的材料已經由金金屬拓展到鉑23,24、銅25-28、銀29、鈀30以及碳納米管31、石墨烯32等其他多種材料。

2.1 機械可控裂結技術

機械可控裂結技術最早由Moreland等33提出。其原理如圖2所示：首先用環氧樹脂將具有切口的金屬絲固定在彈性基底上并形成懸空結構，隨后把該彈性基底固定于由一個下支撐點和兩個上支撐點所組成的機械裝置中。在此基礎上，通過控制壓電陶瓷的向上運動對彈性基底施力，使得金屬絲上的懸空切口因應力作用而逐漸斷裂，并形成電極對。隨后，通過控制壓電陶瓷的上下運動，使電極對被維持在“連接-斷開-連接”的循環狀態中，并以此來精確控制電極對之間的距離。當電極對之間的距離與分子的長度相匹配，并且分子與電極之間存在相互作用時，待測分子可以與電極對構成分子結，研究者即能對目標分子的電學信號進行收集和處理34,35。

2.2 掃描隧道顯微鏡裂結技術

掃描隧道顯微鏡裂結技術是在掃描隧道顯微鏡的基礎上，通過儀器的改造和升級所發展起來的。其通常是以金屬電極作為探針、以鍍金硅片作為基底，通過對探針電極的反復正向推進和反向提拉，使得探針與基底之間不斷產生與目標分子大小匹配的納米間隔，從而構筑出分子結形成單分子測量回路(如圖3)。STM-BJ技術已經在分子電子學的研究中得到了廣泛的應用。

MCBJ技術和STM-BJ技術是兩種常見的單分子電學測量技術，均能快速地構筑分子結，并對產生的電學信號進行高速采集，從而得到大量的實驗數據用于統計和分析。對于MCBJ而言，研究者需要以彈性芯片作為輔助工具。芯片的衰減系數在2-4個數量級之間，可以有效削減外界振動和噪音干擾，穩定電極間所形成的單分子電學信號。對于STM-BJ而言，由于有商業STM儀器作為改造基礎，儀器制備相對簡單，并且STM-BJ在測量長度較長的分子時，于實驗成功率方面具有一定優勢，但針尖抖動等穩定性問題，是STM-BJ儀器搭建和實驗過程中，所需要考慮和解決的干擾因素。

圖2 MCBJ裝置的結構簡意圖Fig. 2 Schematic of MCBJ setup.

圖3 STM-BJ技術的結構示意圖Fig. 3 Schematic of STM-BJ setup.

3 單分子化學反應調控

近幾年來，在單分子裂結技術的基礎上，研究者們通過合理的分子設計、巧妙的外場引入，在單分子化學反應的檢測和調控方面取得了許多進展，這些工作也為從單分子角度研究化學反應過程與反應機理提供了一條可行的路徑。

3.1 基于溶液環境的單分子反應調控

分子的結構發生改變時，分子結的電輸運性質將隨之變化。因此，利用合成化學的方法，通過取代基的引入36、取代基位點的變化37、金屬中心原子的引入38,39等，研究者可以方便地得到具有不同電輸運能力的分子結。另外，由于在單分子尺度下，體系的電輸運能力對于電子在分子結構中的分布十分敏感，因此，通過改變分子所處的溶液環境，使分子結構中的電子分布出現變化，是一種單分子尺度下較為獨特的電輸運調控方法。2017年，Liu等40采用MCBJ技術，以吩噻嗪衍生物分子作為研究分子，發現在分子溶液配制之后，僅僅通過在溶液中添加三氟乙酸(Trifluoroacetic Acid，TFA)，即可以使吩噻嗪衍生物分子形成自由基(如圖4a)。更重要的是，這一結構上的微小變化，可以使分子結的電輸運透射譜發生顯著改變，并最終導致分子器件的電輸運能力有多達兩個數量級的增強(如圖4b)。

圖4 (a)目標分子在加入三氟乙酸前(藍)與加入三氟乙酸后(綠)的分子結構式；(b)目標分子在加入三氟乙酸前與加入三氟乙酸后的電導直方圖40Fig. 4 (a) Chemical structures of probe molecule before (blue) and after (green) adding TFA;(b) conductance histograms of probe molecule before (blue) and after (green) adding TFA 40.

Yang等41利用MCBJ技術研究了如圖5a所示的一系列奧甘菊分子(Azulene，Az)，在加入三氟乙酸并由此發生了分子的質子化后，分子結的電輸運性質的變化。研究中發現，在未加入強氧化性酸的條件下，分子結的電導值從大到小依次為1.3、4.7、5.7 Az。在質子化后，在所有分子結發生整體電導增強的趨勢下(如圖5b-d)，電導值從大到小的排布變化為1.3、5.7、4.7 Az。該工作除了表明基于試劑添加的質子化過程，是可以調控分子電輸運性質的有效手段之外，也說明了當錨定基團位于分子骨架上的不同連接位點時，分子結的電輸運性質對于外界的響應將有所不同。

3.2 基于靜電場的單分子化學反應調控

圖5 (a)奧甘菊系列分子的結構式，以及其發生質子化過程的示意圖；(b-d)發生質子化過程之前(黑色)和之后(紅色)奧甘菊系列分子的一維電導統計圖41Fig. 5 (a) Chemical structures of azulenes and the schematic protonation process of azulene after adding TFA;(b-d) evolution of conductance histograms for different azulenes before (black) and after (red) adding TFA 41.

圖6 (a) STM-BJ中靜電催化狄爾斯-阿爾德反應的示意圖；(b)當電子流向是沿基底指向針尖時(藍線)，與電子流向是沿針尖指向基底時(紅線)，實驗中檢測到反應產物的概率隨外加偏壓的變化曲線45Fig. 6 (a) Schematic of electrostatic catalysis of the Diels-Alder reaction in the STM-BJ system; (b) Frequency of blinks, i.e., the occurrence of Diels-Alder reaction, as a function of the applied bias. The blue plot was measured when a negative bias was applied to the substrate, while the red plot was measured when a positive bias was applied 45.

當前，基于靜電場的分子結電輸運的調控方法主要有兩類，一類是由MCBJ技術衍生出的靜電調控(Electrostatic Gating)方法。研究者通過背柵電極42,43或是側柵電極44的引入去調控分子的能級位置，進而達到調控分子結的電輸運性質的目的。另一類是方法由STM-BJ技術衍生出的，借由控制外加電場的取向(Controlling of the Orientation of the External Electric Field，EEF)對單分子的化學反應進行調控的方法。

EEF方法是由Aragonès等45首次提出的，他們以STM-BJ技術為基礎設計了一種表面模型系統，在單個分子尺度上利用局域的靜電場對Diels-Alder (D-A)反應進行了調控(如圖6a)。實驗結果表明，定向電場的作用可以影響化學反應的結果。當電子流向是沿基底指向針尖時，實驗中檢測到DA反應產物的概率明顯較高，并且該概率和所施加的偏壓之間存在正相關，與之形成對比的是，當電子流向是沿針尖指向基底時，實驗中檢測到反應產物的概率明顯較低，并且不會受到靜電場強弱的影響(如圖6b)。

隨后，Zhang等46利用該EEF方法，證實了靜電場可以催化烷氧基胺分子的C―ON化學鍵的裂解，并形成其他穩定的化學產物(如圖7)。這項工作還指出，對于烷氧基胺分子結而言，當采用靜電場或電化學門控兩類不同調控方法時，分子結所產生的變化是有所不同的。在靜電場條件下，分子結發生解離，生成了碳自由基和相應的硝基氧化合物，并且碳自由基可以穩定存在；而在電化學門控條件下，分子結發生解離后生成的則是碳正離子和相應的硝基氧化合物。

3.3 基于電化學門控的單分子化學反應調控

圖7 基于靜電場催化的C―ON化學鍵斷裂的示意圖46Fig. 7 Schematic of the breaking of a C―ON bond under an external electric field 46.

早在掃描隧道顯微鏡裂結技術被提出后不久，Xiao等47即在此技術上首次提出了電化學門控方法。這一方法是在傳統裂結技術的源漏兩電極之外，再引入兩根新的電極，構成四電極體系，利用雙恒電位儀實現分子結的能級調控。具體而言，以原先的源漏兩電極作為雙工作電極，新引入的兩根電極一為參比電極，另一為對電極。與前述基于靜電場的調控方法相比，電化學門控方法具有調控效率高的優勢。

近年來，電化學門控技術已經得到了較為廣泛的應用。2012年，Darwish等48基于蒽醌分子骨架設計和合成了一個具有四個巰基錨定基團的功能分子(文中命名為5AQ5)，第一次在實驗上發現了單分子結電輸運中的量子干涉效應也可以通過電化學門控方法進行調控。Baghernejad等49利用電化學門控方法，使兩個蒽醌類分子在氧化態與還原態之間進行相互轉變，在這一過程中發現單分子電導值會有多達一個數量級的改變。Li等50通過電化學門控方法與密度泛函理論(Density Functional Theory，DFT)的結合，研究了萘二酰亞胺(NDI)單分子結的電輸運性質，實驗中發現該分子體系存在三個穩定的電導狀態，作者在文中將其分別命名為NDI-N、NDI-R和NDI-D (如圖8)，該類三穩態分子在未來分子器件的設計中將具有獨特的應用價值。2017年，Xiang等51利用電化學門控方法，通過在DNA分子中修飾上具有氧化還原活性的蒽醌基團，實現了對單個DNA分子的電輸運能力的可逆調控(如圖9)。

3.4 單分子化學反應動力學

一維電導統計圖的構筑是分子電子學中最常用的研究手段之一。根據一維電導統計圖中電導峰的位置和個數，可以得到實驗中所測試的分子體系的單分子電導值以及該體系是否具有多個穩定的分子結構型。此外，電導峰的高度52、半峰寬53等信息，可以用于定性比較在不同的裂結實驗過程中，待測分子在電極對之間形成分子結的概率。

基于這一研究思路，2017年，Huang等54將機械可控裂結技術拓展到了單分子化學反應動力學的研究中。研究者選擇了在發生反應前后構型基本一致、但電導有較大區別的Dihydroazulene-6(dha-6)分子體系，并通過二維相關性分析方法55的引入，首次定量分析了在每一次的兩側電極打開-閉合的過程中，分子結能否成功形成、以及具體的形成概率等問題(如圖10)。同時，實驗中還發現單分子尺度下的化學反應動力學過程與宏觀尺度下存在著明顯區別。

圖8 (a) NDI分子結的三種穩定狀態(中性、自由基陰離子、二價陰離子)及其彼此之間相互轉化的過程示意圖；(b)分別對應于NDI-N (黑)、NDI-R (藍)、NDI-D (紅)三種穩態的典型單條電導曲線50Fig. 8 (a) Chemical structures of NDI junctions in the neutral state (NDI-N), the radical-anion state (NDI-R), and the dianion state (NDI-D); (b) the respective conductance-distance curves of NDI-N (black), NDI-R (blue), and NDI-D (red) 50.

圖9 (a)修飾有蒽醌基團的DNA分子(Aq-DNA)和未修飾的DNA分子(u-DNA)的結構示意圖；(b) Aq-DNA單分子結和u-DNA單分子結的一維電導統計圖51Fig. 9 (a) Schematic structures of anthraquinone modified DNA molecule (Aq-DNA) and unmodified DNA molecule(u-DNA); (b) conductance histograms of Aq-DNA molecular junction and u-DNA molecular junction 51.

圖10 (a) Dihydroazulene-6 (dha-6)和vinylheptafulvene (vhf)分子結示意圖；(b)實驗中得到的典型單條電導曲線及構筑的相應一維電導統計圖54Fig. 10 (a) Molecular structures of dihydroazulene-6 (dha-6) and vinylheptafulvene (vhf); (b) typical conductance-distance curves recorded in the measurements and the respective conductance histograms 54.

在裂結技術之外，2018年，Guan等56將分子結構筑中的納米間隔的石墨烯電極也拓展到了單分子化學反應動力學的研究中。在納米間隙被制備之后，研究者選用了羥胺和羰基這一經典的可逆親核加成反應體系，通過實時監測流經納米間隙兩側的電流信號變化，得到了一維電導統計圖中兩個電導峰隨時間的變化趨勢，基于實驗結果和理論計算的相結合，研究者可以換算出該單分子反應的動力學相關參數。隨后，Gu等57將這一研究方法應用到了單分子尺度下的質子催化反應的動力學研究中。研究者選用了9-苯基-9-芴醇為目標分子，通過調節溶液中三氟乙酸和乙酸的比例去控制體系中質子的含量，對反應的動力學過程進行了調控，并且證實了質子對于該分子體系中所存在的SN1反應具有關鍵性作用。

當前，利用裂結技術所構筑的分子結，其電極部分往往為金、銀等金屬材料。與金屬相比，石墨烯在承擔分子器件的電極方面具有諸多優勢，例如可以避免室溫下由于金屬原子表面遷移所導致的器件失效問題，能夠充分利用石墨烯這一新材料自身所具有的優異性能58，更容易被拓展至石墨炔等其他二維材料59，等。另一方面，裂結技術所具有的對納米間隔大小進行動態調節的能力，在匹配不同目標分子、或是確定位置待測分子長度等方面，又具有獨特的優勢。

3.5 基于拉曼聯用的單分子化學反應檢測

在分子電子學研究中，分子與電極之間的接觸位點、分子自身所采取的構型、分子與相鄰分子之間的化學反應或弱相互作用等，都將對分子結的電輸運表征結果產生顯著的影響。基于此，把單分子電學表征技術與一些具有微觀結構原位表征能力的光譜學方法進行聯用，對于從原理上研究單分子電輸運過程、單分子尺度化學反應，都具有重要意義。

2006年，Tian等60首次將表面增強拉曼光譜技術引入到分子電子學的研究中，發展了表面增強拉曼-機械可控裂結(SERS-MCBJ)聯用技術。利用該技術，研究者精確調控了電極對之間的距離，并通過選用1,4-苯二硫酚(BDT)分子作為探針分子，研究了單分子結的拉曼信號隨電極對之間距離、采樣位點、激發光偏振方向等的變化趨勢。

2007年，Tian等61利用該方法首次實現了單分子結的電學性質和拉曼譜學性質的同時檢測。相較于傳統的裂結技術，SERS-MCBJ聯用技術具有同時收集目標分子的電輸運信息和構型信息的優勢，因此，這一聯用方法在報道了后，迅速得到了推廣和應用。

2013年，Konishi等62利用該技術研究了4,4’-聯吡啶單分子結的微觀構型(如圖11)，發現當分子與兩側電極對之間的傾斜角發生變化的過程中，即當分子采取垂直和傾斜兩種構型時，拉曼信號和電輸運信號的不同響應趨勢。不僅如此，在分子傾斜角增加過程中，研究者還發現了拉曼信號的增強和分子結的電導降低。

圖11 (a) SERS-MCBJ聯用裝置示意圖；分別采取(b)垂直和(c)傾斜兩種構型的4,4’-聯吡啶單分子結示意圖62Fig. 11 (a) Schematic drawing of a combined SERS-MCBJ setup; (b) vertical and (c) tilting configurations of 4,4’-bipyridine molecular junctions 62.

1,4-苯二硫酚(BDT)分子結是分子電子學中的經典體系2,43,47,60,63,64。近年來，不少研究者在對這一體系的研究過程中均發現，該分子體系在比傳統上認定的高電導值區域小2個數量級左右的電導區間，還存在有一個低電導值，并且對該低電導值的成因提出了多種假設65-68。2018年，Zheng等69利用SERS-MCBJ聯用技術對BDT分子結體系進行了電學性質和譜學性質的同步表征。實驗結果顯示，該分子結體系存在高低兩個電導值(如圖12a)，并且這兩個電導值所對應的最可幾臺階長度存在明顯差異(如圖12b)，其中，低電導值的最可幾臺階長度，不僅顯著超過單個BDT分子的長度，而且與BDT二聚體分子的長度相吻合。基于此，研究者推測相鄰兩個BDT分子發生單分子化學反應進而形成的二聚體分子(如圖12c)，是BDT分子結體系的低電導值的可能成因，并且這一推測得到了拉曼實驗結果的證實(如圖12d)。該研究也說明了，裂結技術具有在單分子尺度檢測化學反應的能力。

圖12 BDT分子結體系的(a)二維電導-長度統計圖；(b)高低電導值所對應的臺階長度統計圖；(c) BDT分子單體及其二聚體的結構式；(d) BDT出現高導(紅色)、低導(綠色)、無電導信號(灰色)時，以及其粉末(棕色)條件下所采集到的拉曼信號，激光波長：785 nm 69。Fig. 12 (a) The constructed 2D conductance-distance histogram for the BDT solution; (b) The favorable displacements of the high (red) and low (green) conductances; (c) structures of BDT and dimeric-BDT; (d) SERS spectra collected when there emerged features of high conductance plateau (red), low conductance plateau (green), and no conductance plateau(grey), as well as that collected from BDT powder (brown). Laser excitation: 785 nm 69.

4 總結

機械可控裂結技術和掃描隧道顯微鏡裂結技術在傳統上一直是分子電子學中進行結構構筑和性質研究的重要手段。近年來，這兩種裂結技術通過優化、改進以及與其他研究技術的聯用，已經由早期的僅能對單分子結的最可幾電導值進行檢測的單功能方法，變為一種可以在單分子尺度上對分子器件微觀結構、單分子化學反應、單分子反應動力學進行檢測和調控的多功能方法。

基于裂結技術的分子電子學研究，今后可望在以下兩個方面得到進一步的發展。一方面，從研究對象的角度而言，可以由當前的小分子拓展到含有多個金屬中心原子的較復雜分子、由分子間弱相互作用所組裝的超分子體系、以及尺寸較小的金屬原子團簇；另一方面，從微觀環境的角度看，可以通過多外場的同時引入，如激發光、溫度、磁場等，研究分子結電輸運性質的變化，探索單分子尺度下的熱電效應、光開關、電場催化等，以及通過這些外部因素的單獨作用或是協同作用，在單分子尺度上實現對化學反應的調控。另外，伴隨著分子電子學的發展，亞納米級的精密加工、飛安級的超靈敏測量、納秒級的超快信號捕捉等技術也得到了飛速的發展。這些技術不僅在基礎研究領域為研究分子器件的電輸運、熱電效應、光電響應等性質提供了實驗手段，而且在將來的產業化應用中，有助于遴選出高性能、長壽命、具有商業應用前景的分子器件，從而推動相關產業的發展。