基于镓铟合金电极的单分子层电输运研究进展

doi:10.7503/cjcu20200725

高等学校化学学报 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (12): 2629.doi: 10.7503/cjcu20200725

• 庆祝《高等学校化学学报》复刊40周年专栏 • 上一篇下一篇

基于镓铟合金电极的单分子层电输运研究进展

刘天硕¹, 龙世川¹, 姚志轶², 师佳¹, 杨扬¹(), 洪文晶¹()

^1.固体表面物理化学国家重点实验室, 中国福建能源材料科学与技术创新实验室, 厦门大学化学化工学院, 厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院, 厦门 361005
^2.中国农业大学食品科学与营养工程学院, 北京 100083

收稿日期:2020-09-30 出版日期:2020-12-10 发布日期:2020-12-09
通讯作者: 洪文晶 E-mail:yangyang@xmu.edu.cn;whong@xmu.edu.cn
作者简介:杨扬, 男, 博士, 副教授, 主要从事分子电子器件和纳米间隔的表界面物理化学研究. E-mail: yangyang@xmu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(批准号(21973079);21722305, 31871877)和国家重点研发计划项目(2017YFA0204902)

Progress of Charge Transport Through Self-assembled Monolayers by Employing Eutectic Gallium-Indium Technique

LIU Tianshuo¹, LONG Shichuan¹, YAO Zhiyi², SHI Jia¹, YANG Yang¹(), HONG Wenjing¹()

^1.State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces，Innovation Laboratory for Sciences and Technologies of Energy Materials of Fujian Province（IKKEM），College of Chemistry and Chemical Engineering & Pen?Tung Sah Institute of Micro?Nano Science and Technology，Xiamen University，Xiamen 361005，China
^2.College of Food Science and Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China

Received:2020-09-30 Online:2020-12-10 Published:2020-12-09
Contact: HONG Wenjing E-mail:yangyang@xmu.edu.cn;whong@xmu.edu.cn
Supported by:
? Supported by the National Natural Science Foundation of China(21973079);the National Key Research and Development Program of China(2017YFA0204902)

摘要/Abstract

摘要：

有机分子层的电输运特性是分子电子学研究的重要问题. 镓铟合金电极技术具有成结率高、可靠性好及操作简便等优点, 近年来已成为测量单分子层电输运的常用表征手段. 本文介绍了镓铟合金电极技术的基本原理及测试方法, 综述了该技术所带来的一些前沿成果, 并对其目前存在的优势、缺点及未来发展前景进行了分析.

关键词: 镓铟合金, 自组装单分子层, 电输运, 分子电子学

Abstract:

Electron transport through organic molecular layers is an essential issue in molecular electronics. The electrical testing by employing gallium-indium alloy（EGaIn） electrodes is well recognized because of its high junction formation rate， reliability， and user-friendly operation. It thus has been extensively adopted in analyzing the charge transport through self-assembled monolayers（SAMs）. This review outlines the principle and experimental operation of the EGaIn technique， introduces the recent progress in molecular electronics using the EGaIn technique， and finally gives a prospect.

Key words: Gallium-indium alloy, Self-assembled monolayer, Charge transport, Molecular electronics

中图分类号:

O646

TrendMD:

刘天硕, 龙世川, 姚志轶, 师佳, 杨扬, 洪文晶. 基于镓铟合金电极的单分子层电输运研究进展. 高等学校化学学报, 2020, 41(12): 2629.

LIU Tianshuo, LONG Shichuan, YAO Zhiyi, SHI Jia, YANG Yang, HONG Wenjing. Progress of Charge Transport Through Self-assembled Monolayers by Employing Eutectic Gallium-Indium Technique. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(12): 2629.

图/表 6

Fig.1 Equipment structure and a typical EGaIn junction(A) Schematic diagram of an EGaIn-testing equipment(the red dash circle highlights the SAMs junction); (B) optical image of the EGaIn junction; (C) schematic diagram of the EGaIn junction with SC16H34 SAMs.

Fig.2 Photographs captured during the preparation of the EGaIn junction[30]The preparation process of the EGaIn junction in ambient conditions and a ?owbox with a 2.5%(volume fraction) O2 atmosphere and relative humidity less than 15%. The yellow scale bar represents 500 μm. Copyright 2016, American Chemical Society.

Fig.3 Electrical characterization of anthraquinone molecular wires with different structures[44](A) AuMica and EGaIn; (B) AuTS and EGaIn; (C) AuMica and AuCP-AFM; (D) the structures of the molecules studied in the experiment. Different colors represent test results for AQ(black), AC(red), APh(cyan), ABr(blue), ATTF(pink), and TCNAQ(yellow) in (D). Copyright 2019, The Royal Society of Chemistry.

Fig.4 Sketch of the SAMs devices and the result of experiments[45](A) Structures of molecules with different cores of BDT-1, BDT-2, BDT-3, and AQ, which have else linearly(blue) or cross-conjugated(red) pathway for electron transport; (B) schematic of Au/SAM//EGaIn junction with the molecules in(A); (C) normalized low bias conductance of BDT-1(salmon), BDT-2(purple), BDT-3(pink) and AQ(grey). Copyright 2018, The Royal Society of Chemistry.

Fig.5 Schematic illustration of Molecular Junctions and its equivalent circuit[54](A) Structures of SAMs with four different cores of BT, BPh, FH, and FO; (B) Classical parallel resistors based on Kirchhoff’s law(left), the molecular quantum circuit and its equivalent diagram, which obeys a different electrical rule compared with its counterpart in the macroscale electrical circuit(right). Copyright 2020, Wiley-VCH.

Fig.6 EGaIn technique combined with other experimental methods(A) Schematic of a typical SAMs-based microchip, where PDMS fixes the EGaIn junction; (B) time traces of different plasmon emitters. The red lines show the threshold(24000 counts/s) between the two states(on and off)[57]; (C) schematic diagram of thermoelectric molecular junction based on EGaIn electrodes; (D) plots of theoretical Seebeck coefficient and the experimental values as a linear function of the length of molecules[60](A, B) Copyright 2016, Springer Nature; (C, D) Copyright 2019, The Royal Society of Chemistry.

参考文献 25

26	Weiss E. A.， Kaufman G. K.， Kriebel J. K.， Li Z. F.， Schalek R.， Whitesides G. M.， Langmuir， 2007， 23（19）， 9686—9694
27	Weiss E. A.， Chiechi R. C.， Kaufman G. K.， Kriebel J. K.， Li Z. F.， Duati M.， Rampi M. A.， Whitesides G. M.， J. Am. Chem. Soc.， 2007， 129（14）， 4336—4349
28	Yuan L.， Jiang L.， Thompson D.， Nijhuis C. A.， J. Am. Chem. Soc.， 2014， 136（18）， 6554—6557
29	Nijhuis C. A.， Reus W. F.， Barber J. R.， Whitesides G. M.， J. Phys. Chem. C， 2012， 116（26）， 14139—14150
30	Carlotti M.， Degen M.， Zhang Y. X.， Chiechi R. C.， J. Phys. Chem. C， 2016， 120（36）， 20437—20445
31	Khan M. R.， Trlica C.， So J. H.， Valeri M.， Dickey M. D.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2014， 6（24）， 22467—22473
32	Wimbush K. S.， Fratila R. M.， Wang D.， Qi D.， Liang C.， Yuan L.， Yakovlev N.， Loh K. P.， Reinhoudt K. P.， Velders A. H.， Nanoscale， 2014， 6， 11246—11258
33	Rothemund P.， Morris B. C.， Suo Z.， Whitesides G. M.， Chem. Mater.， 2018， 30， 129—137
34	Jiang L.， Sangeeth C. S. S.， Wan A.， Vilan A.， Nijhuis C. A.， J. Phys. Chem. C， 2015， 119， 960—969
35	Baghbanzadeh M.， Simeone F. C.， Bowers C. M.， Liao K. C.， Thuo M.， Baghbanzadeh M.， Miller M. S.， Carmichael T. B.， Whitesides G. M.， J. Am. Chem. Soc.， 2014， 136， 16919—16925
36	Carlotti M.， Soni S.， Kumar S.， Ai Y.， Sauter E.， Zharnikov M.， Chiechi R. C.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2018， 57， 15681—15685
37	Baghbanzadeh M.， Bowers M.， Rappoport D.， Zaba T.， Gonidec M.， Al⁃Sayah M. H.， Cyganik P.， Aspuru⁃Guzik A.， Whitesides G. M.， Angew. Chem.， 2015， 49， 14956—14960
38	Muller C. J.， van Ruitenbeek J. M.， de Jongh L. J.， Physica C，1992， 191， 485—504
39	Cafferty B. J.， Yuan L.， Baghbanzadeh M.， Rappoport D.， Beyzavi M. H.， Whitesides G. M.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58， 8097—8102
40	Kumar K. S.， Pasula R. R.， Lim S.， Nijhuis C. A.， Adv. Mater.， 2016， 28， 1824—1830
41	Sangeeth C. S. S.， Wan A.， Nijhuis C. A.， J. Am. Chem. Soc.， 2014， 136（31）， 11134—11144
42	Garner M. H.， Li H. X.， Chen Y.， Su T. A.， Shangguan Z. C.， Paley D. W.， Liu T. F.， Ng F.， Li H. X.， Xiao S. X.， Nuckolls C.， Venkataraman L.， Solomon G. C.， Nature，2018， 558， 415—419
43	Zhang Y. P.， Chen L. C.， Zhang Z. Q.， Cao J. J.， Tang C.， Liu J. Y.， Duan L. L.， Huo Y.， Shao X. F.， Hong W. J.， Zhang H. L.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140（21）， 6531—6535
44	Carlotti M.， Soni S.， Qiu X. K.， Sauter E.， Zharnikov M.， Chiechi R. C.， Nanoscale Adv.， 2019， 1， 2018—2028
45	Zhang Y. X.， Ye G.， Soni S.， Qiu X. K.， Krijger T. L.， Jonkman H. T.， Carlotti M.， Sauter E.， Zharnikov M.， Chiechi R. C.， Chem. Sci.， 2018， 9， 4414—4423
46	Nijhuis C. A.， Reus W. F.， Whitesides G. M.， J. Am. Chem. Soc.， 2010， 132（51）， 18386—18401
47	Nijhuis C. A.， Reus W. F.， Siegel A. C.， Whitesides G. M.， J. Am. Chem. Soc.， 2011， 133（39）， 15397—15411
48	Yoon H. J.， Liao K. C.， Lockett M. R.， Kwok S. W.， Baghbanzadeh M.， Whitesides G. M.， J. Am. Chem. Soc.， 2014， 136， 17155—17162
49	Chen X. P.， Roemer M.， Yuan L.， Du W.， Thompson D.， del Barco E.， Nijhuis C. A.， Nat. Nanotech.， 2017， 12， 797—803
50	Yuan L.， Wang L.， Garrigues A. R.， Jiang L.， Nijhuis C. A.， Nat. Nanotech.， 2018， 13（4）， 322—329
51	Migliore A.， Schiffa P.， Nitzana A.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2012， 14， 13746—13753
52	Baghbanzadeh M.， Belding L.， Yuan L.， Park J.， Al⁃Sayah M. H.， Bowers C. M.， Whitesides G. M.， J. Am. Chem. Soc.， 2019，141， 8969—8980
53	Wang L. J.， Yuan L.， Jiang L.， Yu X. J.， Cao L.， Nijhuis C. A.， J. Phys. Chem. C， 2019， 123， 19759—19767
54	Soni S.， Ye G.， Zheng J. T.， Zhang Y. X.， Asyuda A.， Zharnikov M.， Hong W. J.， Chiechi R. C.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59， 14308—14312
55	Han Y. M.， Nickle C.， Zhang Z.， Astier H. P. A. G.， Duffin T. J.， Qi D. C.， Wang Z.， Barco E. D.， Thompson D.， Nijhuis C. A.， Nat. Mater.， 2020， 19， 843—848
56	Xin N.， Guan J. X.， Zhou C. G.， Chen X. J.， Gu C. H.， Li Y.， Ratner M. A.， Nitzan A.， Stoddart J. F.， Guo X. F.， Nat. Rev. Phys.， 2019， 1， 211—230
57	Du W.， Wang T.， Chu H. S.， Wu L.， Liu R. R.， Sun S.， Phua W. K.， Wang L. J.， Tomczak N.， Nijhuis C. A.， Nat. Photon.， 2016， 10， 274—280
58	Du W.， Han Y. M.， Hu H. T.， Chu H. S.， Annadata H. V.， Wang T.， Tomczak N.， Nijhuis C. A.， Nano Lett.， 2019， 19， 4634—4640
59	Park S.， Yoon H. J.， Nano Lett.， 2018， 18（12）， 7715—7718
60	Kang S.， Park S.， Kang H.， Cho S. J.， Song H.， Yoon H. J.， Chem. Commun.， 2019， 55， 8780—8783
61	Dickey M. D.， Chiechi R. C.， Larsen R. J.， Weiss E. A.， Weitz D. A.， Adv. Funct. Mater.， 2008， 18， 1097—1104
62	Wan A.， Sangeeth C. S. S.， Wang L. J.， Yuan L.， Jiang L.， Nijhuis C. A.， Nanoscale， 2015， 7， 19547—19556
63	Byeon S. E.， Kim M.， Yoon H. J.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2017， 9， 40556—40563
1	Xiang D.， Wang X. L.， Jia C. C.， Lee T.， Guo X. F.， Chem. Rev.， 2016， 116， 4318—4440
2	Jia C. C.， Migliore A.， Xin N.， Huang S. Y.， Wang J. Y.， Yang Q.， Wang S. P.， Chen H. L.， Wang D. M.， Feng B. Y.， Liu Z. R.， Zhang G. Y.， Qu D.， Tian H.， Ratner M. A.， Xu H. Q.， Nitzan A.， Guo X. F.， Science， 2016， 352（6292）， 1443—1445
3	Huang C. C.， Rudnev A. V.， Hong W. J.， Wandlowski T.， Chem. Soc. Rev.， 2015， 44（4）， 889—901
4	Zhan C.， Wang G.， Zhang X. G.， Li Z. H.， Wei J. Y.， Si Y.， Yang Y.， Hong W. J.， Tian Z. Q.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58， 14534—14538
5	Vilan A ， Aswal D ， Cahen D.， Chem. Rev.， 2017， 117（5）， 4248—4286
6	Abraham U.， Mrs Bulletin， 1995， 20（6）， 46—51
7	Shen P. C.， Huang M. L.， Qian J. Y.， Li J. S.， Ding S. Y.， Zhou X. S.， Xu B.， Zhao Z. J.， Tang B. Z.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59， 4581—4588
8	Xu X. N.， Han B.， Yu X.， Zhu Y. Y.， Acta Chim. Sinica， 2019， 77（6）， 485—499（许晓娜，韩宾，于曦，朱艳英. 化学学报， 2019， 77（6）， 485—499）
9	Kushmerick J. G.， Holt D. B.， Yang J. C.， Naciri J.， Moore M. H.， Shashidhar R.， Phys. Rev. Lett.， 2002， 89（8）， 086802
10	Zhu Z. H.， Daniel T. A.， Maitani M.， Cabarcos O. M.， Allara D. L.， Winograd N.， J. Am. Chem. Soc.， 2006， 128（42）， 13710—13719
11	Smith C. E.， Odoh S. O.， Ghosh S.， Gagliardi L.， Cramer C. J.， Frisbie C. D.， J. Am. Chem. Soc.， 2015， 137， 15732—15741
12	Jia C.C.， Famili M.， Carlotti M.， Liu Y.， Wang P， Grace I. M.， Feng Z.， Wang Y.， Zhao Z.， Ding M.， Xu X.， Wang C.， Lee S. J.， Huang Y.， Chiechi R. C.， Lambert C. J.， Duan X. F.， Sci. Adv.， 2018， 4（10）， eaat8237
13	Zhao S. Q.， Wu Q. Q.， Pi J. C.， Liu J. Y.， Zheng J. T.， Sadeghi， H.， Wei J. Y.， Li R. H.， Hou S. J.， Yang Y.， Jia S.， Chen Z. B.， Xiao Z. Y.， Lambert C.， Hong W. J.， Sci. Adv.， 2020，6， eaba6714
14	Lee J.， Chang H.， Kim S.， Bang G. S.， Lee H.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2009， 48（45）， 8501—8504
15	Chabinyc M. L.， Chen X. X.， Holmlin R. E.， Jacobs H.， Skulason H.， Frisbie C. D.， Mujica V.， Ratner M. A.， Rampi M. A.， Whitesides G. M.， J. Am. Chem. Soc.， 2002， 124（39）， 11730—11736
16	Chiechi R. C.， Weiss E. A.， Dickey M. D.， Whitesides G. M.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2008， 47（1）， 142—144
17	Vilan A.， J. Phys. Chem. C， 2007， 111（11）， 4431—4444
18	Nerngchamnong N.， Yuan L.， Qi D. C.， Li J.， Thompson D.， Nijhuis C. A.， Nat. Nanotech.， 2013， 8（2）， 113—118
19	Cuevas J. C.， Scheer E.， Molecular Electronics： An Introduction to Theory and Experiment， World Scientific， Singapore， 2010
20	Nitzan A.， Ratner M. A.， Science， 2003， 300（5624）， 1384—1389
21	Wu S. M.， Electrical Conductance of Single Conjugated Oligomers， Basel， University of Basel， 2010
22	Simmons J. G.， J. Appl. Phys.， 1963， 34（6）， 1793
23	Yang Y.， Liu J. Y.， Yan R. W.， Wu D. Y.， Tian Z. Q.， Chem. J. Chinese Universities， 2015， 36（1）， 9—23（杨扬，刘俊扬，晏润文，吴德印，田中群. 高等学校化学学报， 2015， 36（1）， 9—23）
24	Wagner P.， Hegner M.， Guentherodt H. J.， Semenza G.， Langmuir， 1995， 11， 3867—3875
25	Zhang J. L.， Yang F.， Zheng W. J.， Bai Y.， Ouyang J. M.， Process. Chem.， 2005， 2， 25—30（张俊苓，杨芳，郑文杰，白燕，欧阳健明. 化学进展， 2005， 2， 25—30）

[1]	韩宾, 于曦, 胡文平. 二茂铁自组装分子结中电荷隧穿与跳跃传输的机理研究[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(2): 298.
[2]	杨扬, 刘俊扬, 晏润文, 吴德印, 田中群. 金属/分子/金属结的电子输运机理与表征[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(1): 9.
[3]	郭继东, 邢巍, 陆天虹, 杨辉. 短杆菌肽在十八烷基硫醇自组装单层膜上的通道行为[J]. 高等学校化学学报, 2002, 23(5): 958.
[4]	王俊, 曾百肇, 方程, 周性尧. 表面活性剂作用下谷胱甘肽单分子膜的离子门响应[J]. 高等学校化学学报, 2000, 21(10): 1552.
[5]	崔晓丽, 蒋殿录, 李俊新, 刁鹏, 童汝亭, 王心葵. 硫醇在金电极上的SA单分子层膜的电化学研究[J]. 高等学校化学学报, 1999, 20(5): 800.

基于镓铟合金电极的单分子层电输运研究进展

Progress of Charge Transport Through Self-assembled Monolayers by Employing Eutectic Gallium-Indium Technique

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 6

参考文献 25

相关文章 5

编辑推荐

Metrics

本文评价