基于裂结技术的单分子尺度化学反应研究进展

余培锴，冯安妮，赵世强，魏珺颖，杨扬，师佳，洪文晶

厦门大学化学化工学院，萨本栋微米纳米科学技术研究院，福建 厦门 361005

1 引言

1974年，Aviram和Ratner对一个D-σ-A型分子的单分子电流-电压(I-V)特性曲线进行了理论模拟，发现这类分子具有整流效应，提出了单分子二极管的概念1。自此，分子电子学作为纳电子学的一个重要分支，数十年来一直吸引着研究者们的兴趣2-5。20世纪80年代中后期，随着扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopy，STM)、原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)、微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)相关加工等技术的出现和发展，研究者们在实验上成功构筑并测量了许多分子器件，如分子导线6-9、分子开关10-12、分子传感器13、分子整流器14,15，等。

由于单个分子的长度常小于10 nm，难以与测量仪器直接相连，所以常需要通过构筑分子结来实现对单个分子性能的研究。分子结是构成单分子测量电路的一个基本单元16,17，一般由修饰有锚定基团的目标分子和电极对所组成。金属/分子/金属结是最常见的一种单分子结(如图1)。基于锚定基团与金属电极的相互作用，分子可以被连接到测量回路中，在此基础上，通过对回路中的电信号进行采集和转化，分子结的电导可以被成功测量。

图1 金属/分子/金属结示意图Fig. 1 Schematic of metal/molecule/metal junction.

2 单分子测量裂结技术

在单分子测量电路的构筑过程中，锚定基团的选择和纳米间隔电极对的制备是实验的关键点和难点。锚定基团方面，研究者们已发现，吡啶基(―Py)18、巯基(―SH)19、氨基(―NH2)20、噻吩21、富勒烯22等均可以起到锚定基团的作用。在纳米间隔电极对的构筑方面，研究者们常采用裂结技术，主要有机械可控裂结技术(Mechanically Controllable Break Junction，MCBJ)和扫描隧道显微镜裂结技术(STM Break Junction，STM-BJ)两种。近年来，随着裂结技术的发展，纳米间隔电极的材料已经由金金属拓展到铂23,24、铜25-28、银29、钯30以及碳纳米管31、石墨烯32等其他多种材料。

2.1 机械可控裂结技术

机械可控裂结技术最早由Moreland等33提出。其原理如图2所示：首先用环氧树脂将具有切口的金属丝固定在弹性基底上并形成悬空结构，随后把该弹性基底固定于由一个下支撑点和两个上支撑点所组成的机械装置中。在此基础上，通过控制压电陶瓷的向上运动对弹性基底施力，使得金属丝上的悬空切口因应力作用而逐渐断裂，并形成电极对。随后，通过控制压电陶瓷的上下运动，使电极对被维持在“连接-断开-连接”的循环状态中，并以此来精确控制电极对之间的距离。当电极对之间的距离与分子的长度相匹配，并且分子与电极之间存在相互作用时，待测分子可以与电极对构成分子结，研究者即能对目标分子的电学信号进行收集和处理34,35。

2.2 扫描隧道显微镜裂结技术

扫描隧道显微镜裂结技术是在扫描隧道显微镜的基础上，通过仪器的改造和升级所发展起来的。其通常是以金属电极作为探针、以镀金硅片作为基底，通过对探针电极的反复正向推进和反向提拉，使得探针与基底之间不断产生与目标分子大小匹配的纳米间隔，从而构筑出分子结形成单分子测量回路(如图3)。STM-BJ技术已经在分子电子学的研究中得到了广泛的应用。

MCBJ技术和STM-BJ技术是两种常见的单分子电学测量技术，均能快速地构筑分子结，并对产生的电学信号进行高速采集，从而得到大量的实验数据用于统计和分析。对于MCBJ而言，研究者需要以弹性芯片作为辅助工具。芯片的衰减系数在2-4个数量级之间，可以有效削减外界振动和噪音干扰，稳定电极间所形成的单分子电学信号。对于STM-BJ而言，由于有商业STM仪器作为改造基础，仪器制备相对简单，并且STM-BJ在测量长度较长的分子时，于实验成功率方面具有一定优势，但针尖抖动等稳定性问题，是STM-BJ仪器搭建和实验过程中，所需要考虑和解决的干扰因素。

图2 MCBJ装置的结构简意图Fig. 2 Schematic of MCBJ setup.

图3 STM-BJ技术的结构示意图Fig. 3 Schematic of STM-BJ setup.

3 单分子化学反应调控

近几年来，在单分子裂结技术的基础上，研究者们通过合理的分子设计、巧妙的外场引入，在单分子化学反应的检测和调控方面取得了许多进展，这些工作也为从单分子角度研究化学反应过程与反应机理提供了一条可行的路径。

3.1 基于溶液环境的单分子反应调控

分子的结构发生改变时，分子结的电输运性质将随之变化。因此，利用合成化学的方法，通过取代基的引入36、取代基位点的变化37、金属中心原子的引入38,39等，研究者可以方便地得到具有不同电输运能力的分子结。另外，由于在单分子尺度下，体系的电输运能力对于电子在分子结构中的分布十分敏感，因此，通过改变分子所处的溶液环境，使分子结构中的电子分布出现变化，是一种单分子尺度下较为独特的电输运调控方法。2017年，Liu等40采用MCBJ技术，以吩噻嗪衍生物分子作为研究分子，发现在分子溶液配制之后，仅仅通过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(如图4a)。更重要的是，这一结构上的微小变化，可以使分子结的电输运透射谱发生显著改变，并最终导致分子器件的电输运能力有多达两个数量级的增强(如图4b)。

图4 (a)目标分子在加入三氟乙酸前(蓝)与加入三氟乙酸后(绿)的分子结构式；(b)目标分子在加入三氟乙酸前与加入三氟乙酸后的电导直方图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技术研究了如图5a所示的一系列奥甘菊分子(Azulene，Az)，在加入三氟乙酸并由此发生了分子的质子化后，分子结的电输运性质的变化。研究中发现，在未加入强氧化性酸的条件下，分子结的电导值从大到小依次为1.3、4.7、5.7 Az。在质子化后，在所有分子结发生整体电导增强的趋势下(如图5b-d)，电导值从大到小的排布变化为1.3、5.7、4.7 Az。该工作除了表明基于试剂添加的质子化过程，是可以调控分子电输运性质的有效手段之外，也说明了当锚定基团位于分子骨架上的不同连接位点时，分子结的电输运性质对于外界的响应将有所不同。

3.2 基于静电场的单分子化学反应调控

图5 (a)奥甘菊系列分子的结构式，以及其发生质子化过程的示意图；(b-d)发生质子化过程之前(黑色)和之后(红色)奥甘菊系列分子的一维电导统计图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.

图6 (a) STM-BJ中静电催化狄尔斯-阿尔德反应的示意图；(b)当电子流向是沿基底指向针尖时(蓝线)，与电子流向是沿针尖指向基底时(红线)，实验中检测到反应产物的概率随外加偏压的变化曲线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.

当前，基于静电场的分子结电输运的调控方法主要有两类，一类是由MCBJ技术衍生出的静电调控(Electrostatic Gating)方法。研究者通过背栅电极42,43或是侧栅电极44的引入去调控分子的能级位置，进而达到调控分子结的电输运性质的目的。另一类是方法由STM-BJ技术衍生出的，借由控制外加电场的取向(Controlling of the Orientation of the External Electric Field，EEF)对单分子的化学反应进行调控的方法。

EEF方法是由Aragonès等45首次提出的，他们以STM-BJ技术为基础设计了一种表面模型系统，在单个分子尺度上利用局域的静电场对Diels-Alder (D-A)反应进行了调控(如图6a)。实验结果表明，定向电场的作用可以影响化学反应的结果。当电子流向是沿基底指向针尖时，实验中检测到DA反应产物的概率明显较高，并且该概率和所施加的偏压之间存在正相关，与之形成对比的是，当电子流向是沿针尖指向基底时，实验中检测到反应产物的概率明显较低，并且不会受到静电场强弱的影响(如图6b)。

随后，Zhang等46利用该EEF方法，证实了静电场可以催化烷氧基胺分子的C―ON化学键的裂解，并形成其他稳定的化学产物(如图7)。这项工作还指出，对于烷氧基胺分子结而言，当采用静电场或电化学门控两类不同调控方法时，分子结所产生的变化是有所不同的。在静电场条件下，分子结发生解离，生成了碳自由基和相应的硝基氧化合物，并且碳自由基可以稳定存在；而在电化学门控条件下，分子结发生解离后生成的则是碳正离子和相应的硝基氧化合物。

3.3 基于电化学门控的单分子化学反应调控

图7 基于静电场催化的C―ON化学键断裂的示意图46Fig. 7 Schematic of the breaking of a C―ON bond under an external electric field 46.

早在扫描隧道显微镜裂结技术被提出后不久，Xiao等47即在此技术上首次提出了电化学门控方法。这一方法是在传统裂结技术的源漏两电极之外，再引入两根新的电极，构成四电极体系，利用双恒电位仪实现分子结的能级调控。具体而言，以原先的源漏两电极作为双工作电极，新引入的两根电极一为参比电极，另一为对电极。与前述基于静电场的调控方法相比，电化学门控方法具有调控效率高的优势。

近年来，电化学门控技术已经得到了较为广泛的应用。2012年，Darwish等48基于蒽醌分子骨架设计和合成了一个具有四个巯基锚定基团的功能分子(文中命名为5AQ5)，第一次在实验上发现了单分子结电输运中的量子干涉效应也可以通过电化学门控方法进行调控。Baghernejad等49利用电化学门控方法，使两个蒽醌类分子在氧化态与还原态之间进行相互转变，在这一过程中发现单分子电导值会有多达一个数量级的改变。Li等50通过电化学门控方法与密度泛函理论(Density Functional Theory，DFT)的结合，研究了萘二酰亚胺(NDI)单分子结的电输运性质，实验中发现该分子体系存在三个稳定的电导状态，作者在文中将其分别命名为NDI-N、NDI-R和NDI-D (如图8)，该类三稳态分子在未来分子器件的设计中将具有独特的应用价值。2017年，Xiang等51利用电化学门控方法，通过在DNA分子中修饰上具有氧化还原活性的蒽醌基团，实现了对单个DNA分子的电输运能力的可逆调控(如图9)。

3.4 单分子化学反应动力学

一维电导统计图的构筑是分子电子学中最常用的研究手段之一。根据一维电导统计图中电导峰的位置和个数，可以得到实验中所测试的分子体系的单分子电导值以及该体系是否具有多个稳定的分子结构型。此外，电导峰的高度52、半峰宽53等信息，可以用于定性比较在不同的裂结实验过程中，待测分子在电极对之间形成分子结的概率。

基于这一研究思路，2017年，Huang等54将机械可控裂结技术拓展到了单分子化学反应动力学的研究中。研究者选择了在发生反应前后构型基本一致、但电导有较大区别的Dihydroazulene-6(dha-6)分子体系，并通过二维相关性分析方法55的引入，首次定量分析了在每一次的两侧电极打开-闭合的过程中，分子结能否成功形成、以及具体的形成概率等问题(如图10)。同时，实验中还发现单分子尺度下的化学反应动力学过程与宏观尺度下存在着明显区别。

图8 (a) NDI分子结的三种稳定状态(中性、自由基阴离子、二价阴离子)及其彼此之间相互转化的过程示意图；(b)分别对应于NDI-N (黑)、NDI-R (蓝)、NDI-D (红)三种稳态的典型单条电导曲线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.

图9 (a)修饰有蒽醌基团的DNA分子(Aq-DNA)和未修饰的DNA分子(u-DNA)的结构示意图；(b) Aq-DNA单分子结和u-DNA单分子结的一维电导统计图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.

图10 (a) Dihydroazulene-6 (dha-6)和vinylheptafulvene (vhf)分子结示意图；(b)实验中得到的典型单条电导曲线及构筑的相应一维电导统计图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.

在裂结技术之外，2018年，Guan等56将分子结构筑中的纳米间隔的石墨烯电极也拓展到了单分子化学反应动力学的研究中。在纳米间隙被制备之后，研究者选用了羟胺和羰基这一经典的可逆亲核加成反应体系，通过实时监测流经纳米间隙两侧的电流信号变化，得到了一维电导统计图中两个电导峰随时间的变化趋势，基于实验结果和理论计算的相结合，研究者可以换算出该单分子反应的动力学相关参数。随后，Gu等57将这一研究方法应用到了单分子尺度下的质子催化反应的动力学研究中。研究者选用了9-苯基-9-芴醇为目标分子，通过调节溶液中三氟乙酸和乙酸的比例去控制体系中质子的含量，对反应的动力学过程进行了调控，并且证实了质子对于该分子体系中所存在的SN1反应具有关键性作用。

当前，利用裂结技术所构筑的分子结，其电极部分往往为金、银等金属材料。与金属相比，石墨烯在承担分子器件的电极方面具有诸多优势，例如可以避免室温下由于金属原子表面迁移所导致的器件失效问题，能够充分利用石墨烯这一新材料自身所具有的优异性能58，更容易被拓展至石墨炔等其他二维材料59，等。另一方面，裂结技术所具有的对纳米间隔大小进行动态调节的能力，在匹配不同目标分子、或是确定位置待测分子长度等方面，又具有独特的优势。

3.5 基于拉曼联用的单分子化学反应检测

在分子电子学研究中，分子与电极之间的接触位点、分子自身所采取的构型、分子与相邻分子之间的化学反应或弱相互作用等，都将对分子结的电输运表征结果产生显著的影响。基于此，把单分子电学表征技术与一些具有微观结构原位表征能力的光谱学方法进行联用，对于从原理上研究单分子电输运过程、单分子尺度化学反应，都具有重要意义。

2006年，Tian等60首次将表面增强拉曼光谱技术引入到分子电子学的研究中，发展了表面增强拉曼-机械可控裂结(SERS-MCBJ)联用技术。利用该技术，研究者精确调控了电极对之间的距离，并通过选用1,4-苯二硫酚(BDT)分子作为探针分子，研究了单分子结的拉曼信号随电极对之间距离、采样位点、激发光偏振方向等的变化趋势。

2007年，Tian等61利用该方法首次实现了单分子结的电学性质和拉曼谱学性质的同时检测。相较于传统的裂结技术，SERS-MCBJ联用技术具有同时收集目标分子的电输运信息和构型信息的优势，因此，这一联用方法在报道了后，迅速得到了推广和应用。

2013年，Konishi等62利用该技术研究了4,4’-联吡啶单分子结的微观构型(如图11)，发现当分子与两侧电极对之间的倾斜角发生变化的过程中，即当分子采取垂直和倾斜两种构型时，拉曼信号和电输运信号的不同响应趋势。不仅如此，在分子倾斜角增加过程中，研究者还发现了拉曼信号的增强和分子结的电导降低。

图11 (a) SERS-MCBJ联用装置示意图；分别采取(b)垂直和(c)倾斜两种构型的4,4’-联吡啶单分子结示意图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)分子结是分子电子学中的经典体系2,43,47,60,63,64。近年来，不少研究者在对这一体系的研究过程中均发现，该分子体系在比传统上认定的高电导值区域小2个数量级左右的电导区间，还存在有一个低电导值，并且对该低电导值的成因提出了多种假设65-68。2018年，Zheng等69利用SERS-MCBJ联用技术对BDT分子结体系进行了电学性质和谱学性质的同步表征。实验结果显示，该分子结体系存在高低两个电导值(如图12a)，并且这两个电导值所对应的最可几台阶长度存在明显差异(如图12b)，其中，低电导值的最可几台阶长度，不仅显著超过单个BDT分子的长度，而且与BDT二聚体分子的长度相吻合。基于此，研究者推测相邻两个BDT分子发生单分子化学反应进而形成的二聚体分子(如图12c)，是BDT分子结体系的低电导值的可能成因，并且这一推测得到了拉曼实验结果的证实(如图12d)。该研究也说明了，裂结技术具有在单分子尺度检测化学反应的能力。

图12 BDT分子结体系的(a)二维电导-长度统计图；(b)高低电导值所对应的台阶长度统计图；(c) BDT分子单体及其二聚体的结构式；(d) BDT出现高导(红色)、低导(绿色)、无电导信号(灰色)时，以及其粉末(棕色)条件下所采集到的拉曼信号，激光波长：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 总结

机械可控裂结技术和扫描隧道显微镜裂结技术在传统上一直是分子电子学中进行结构构筑和性质研究的重要手段。近年来，这两种裂结技术通过优化、改进以及与其他研究技术的联用，已经由早期的仅能对单分子结的最可几电导值进行检测的单功能方法，变为一种可以在单分子尺度上对分子器件微观结构、单分子化学反应、单分子反应动力学进行检测和调控的多功能方法。

基于裂结技术的分子电子学研究，今后可望在以下两个方面得到进一步的发展。一方面，从研究对象的角度而言，可以由当前的小分子拓展到含有多个金属中心原子的较复杂分子、由分子间弱相互作用所组装的超分子体系、以及尺寸较小的金属原子团簇；另一方面，从微观环境的角度看，可以通过多外场的同时引入，如激发光、温度、磁场等，研究分子结电输运性质的变化，探索单分子尺度下的热电效应、光开关、电场催化等，以及通过这些外部因素的单独作用或是协同作用，在单分子尺度上实现对化学反应的调控。另外，伴随着分子电子学的发展，亚纳米级的精密加工、飞安级的超灵敏测量、纳秒级的超快信号捕捉等技术也得到了飞速的发展。这些技术不仅在基础研究领域为研究分子器件的电输运、热电效应、光电响应等性质提供了实验手段，而且在将来的产业化应用中，有助于遴选出高性能、长寿命、具有商业应用前景的分子器件，从而推动相关产业的发展。