扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用 摘 要 单分子科学是一门新兴的交叉科学，在当前的科技进展中具有重要意义.扫描隧道显微镜是讨论单分子的一种强有力而独特的工具.文章以作者所在讨论组近年来在单分子表征、操控和原型器件设计等方面的讨论工作进展为例，概述了扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用，重点介绍了以下成果：在硫醇分子自组装单层膜上观测到 C60 分子的本征笼状结构，并发现了一种新颖的由 C60 分子取向产生的拓扑序；结合实验图像和理论模拟，确定了单个 C60 分子在 Si(111)“|7×7 表面的吸附取向；通过对金属富勒烯分子进行空间和能量分辨成像及相关理论模拟，确定了金属原子相对碳笼的位置及分子的取向；利用扫描隧道显微镜针尖对吸附在 Au(111)表面的单个 CoPc 分子操作“分子手术”，以实现其吸附态和自旋态的量子调控；发现了一种由单电子隧穿和 C59N 分子的特别能级结构产生的新的整流机制；发现了一种由针尖电子态和 CoPc 分子中 Co 原子轨道的空间对称性匹配产生的负微分电阻效应. 关键词 扫描隧道显微术，单分子科学，单分子表征，自旋态调控，单分子器件 1 引言 近年来，单分子科学逐渐进展成为一个引人注目而前景宽阔的新型交叉学科，受到了许多讨论者的关注.单分子科学的讨论内容是分子、原子团簇和生物大分子本身及其吸附在表面或者处于复杂凝聚相环境时的物理、化学和机械等性质［1］.单分子体系的尺度最小可至纳米量级，其能级往往是分立的，在这种情况下出现的量子行为决定了体系的主要性质.人们希望通过调控其量子效应以实现某些特定功能，从而能够制备出单分子器件，如分子开关等.在分子电子学领域里，这种自下而上地搭建分子器件，并讨论其性质和应用已是当前的科技热点之一. 1982 年，IBM 公司苏黎世实验室的Binnig 和 Rohrer 等人利用量子隧穿机理研制出第一台扫描隧道显微镜［2］.扫描隧道显微镜的发明使得人们首次能够实时地在原子尺度上对物体进行原位观测，进而讨论其相关的物理和化学等性质.随着单分子科学的进展，人们开始尝试利用以 STM为代表的各种显微技术，对单分子等纳米结构进行表征、操控和尝试原型分子器件设计.二十多年来，这个领域已经取得了许多令人瞩目的成果，并促进了物理、化学、微观机械、分子生物学和分子电子学等相关学科的进展［3］. STM 技术在单分子科学讨论的应用中具有以下的优势和特点：STM 实验能获得具有原子级分辨率...
