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太赫兹光谱进入单分子体系
发布时间:2018-11-05 09:25:19 阅读:92

来源:optics.org; 电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 廖琪 编译

具有蝴蝶结天线结构的单分子晶体管(SMI)示意图。S,D和G分知表示SMI的源极、漏极和栅极。其创建的单分子晶体管纳米间隙可以捕获单个分子。
图片来源:东京大学工业科学研究所2018Kazuhiko Hirakata

    光谱学是一门以物理和化学为核心,以光与物质的相互作用为基础的技术,从红外光到X射线,广泛的波长被用于激烈的振动、电子跃迁和其他过程,从而探测原子和分子的世界。

    然而,太赫兹(THz)区域是一种较少使用的光形式。在太阳光和微波之间的电磁波谱上,太赫兹辐射具有适宜的频率(大约1012Hz)来激发分子振动。然而,它的长波长(数百微米)是分子尺寸,大约100000倍分子大小。使得传统光学器件无法将太赫兹光束聚焦到单个分子上,只能研究大量的分子集合。

    最近,由东京大学工业科学研究所(IIS)领导的一个团队找到了解决这个问题的方法。在Nature Photonics的一项研究中,他们发现THz辐射确实可以检测到单个分子的运动,克服了聚焦光束的经典衍射极限。事实上,该方法足够灵敏,可以测量单电子的隧道效应。

    IIS团队展示了一种被称为单分子晶体管的纳米级设计。两个相邻的金属电极,即晶体管的源极和漏极,以“蝴蝶结”形状放置在薄硅晶片上。然后,单分子(在这种情况下通常为C60,又称富勒烯)沉积在源极和漏极之间的亚纳米间隙中。电极充当天线,将THz光束紧密地聚焦到隔离的富勒烯上。

    “富勒烯吸收聚焦的太赫兹辐射,使它们围绕质心振荡。”研究第一作者杜少青解释到。“除了固有的电导率之外,超快分子振荡也会使晶体管中的电流增加。”虽然这种电流变化微不足道,在毫微微安培(fA)的量级上,但相同电极可用于捕获分子实现精确测量。以这种方式,绘制了在约0.5和1THz处的两个振动峰。

    事实上,这种测量足够灵敏,可以测量由一个电子引起的吸收峰的轻微分裂。当C60在金属表面振荡时,其振动量子(振子)可被金属电极中的电子吸收。因此,受到刺激,电子隧穿进入C60分子。由此产生的负电荷C60分子振动频率比中性C60略低,从而吸收不同频率的THz辐射。

    除了提供了隧穿之外,这项研究还展示了一种实用的方法,可以获得微弱吸收太赫兹光子分子的电子和电子的振动信息。这将使THz光谱技术得到更广泛的应用,该方法有待进一步研究,与可见光和x射线光谱学互补,与纳米电子学和量子计算密切相关。

 
 

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