一种基于STM-BJ的单分子结热电势测量方法及其设备技术

本发明专利技术通过获取单个分子‑验证单个分子‑测量热电压‑验证单个分子，并且重复得到多个数据后，进行相应的统计和计算方法得到分子结的塞贝克系数。基于STM‑BJ技术给基底提供一个稳定且容易调节的热源从而在分子结两端构建温差，通过引入独立的电压放大器测量分子结形成后由于温差产生的电动势，从而实现单分子结热电势的测量。与MCBJ技术和STM‑BJ针尖控温技术相比，该研究手段具有简单、高效、可调范围广且容错率高等优点，极大提高单分子结热电势的测量效率，促进新型有机热电材料的研发，为这个能源亟待变革的社会提供强大的助力。

A single molecule junction thermal potential measurement method and equipment based on STM-BJ

【技术实现步骤摘要】
一种基于STM-BJ的单分子结热电势测量方法及其设备
本专利技术涉及单分子热电势测量领域，具体指有一种基于STM-BJ的单分子结热电势测量方法。
技术介绍
第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。当两种不同的导体相互接触组成闭合回路时，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中就会出现电流，所产生电流的电动势即是热电势。大多数金属及半导体材料都具有不同程度的热电性能，但具有较高热电转换效率的材料却非常少。随着单分子电学测量技术的发展，研究者已经可以实现在常温常压下直接对单一分子电输运行为的快速表征。单分子电学测量技术能够在单分子水平上揭示分子结构与功能之间蕴藏的丰富信息。利用其能够操纵单个分子的技术优势，单分子电学测量技术将为单分子传感和识别、单分子电化学行为、单分子尺度化学反应乃至单分子尺度的材料热电势研究等前沿方向和领域提供潜在的应用平台。目前单分子结热电势测量的主要方法为在常用的机械可控裂结技术(MechanicallyControllableBreakJunction,MCBJ)方法或扫描隧穿裂结技术(ScanningTunnelingMicroscopeBreakjunction,STM-BJ)等单分子电学测量技术基础上，通过电极针尖控温进行测量的方法。但是，以上这两种方法必须要用到微加工的手段对所用到的芯片或者针尖进行加工，引入铂电阻加热器控制其温度，方法复杂且成功率极低。基于此，开发一种简便、快捷、高效的单分子结热电势测量方法具有非常重要的意义。针对上述现有技术存在的问题设计一种基于STM-BJ的单分子结热电势测量方法是本专利技术研究的目的。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术在于提供一种基于STM-BJ基底控温的单分子结热电势测量方法，能够有效解决上述现有技术存在的问题。本专利技术的技术方案是：一种基于STM-BJ的单分子结热电势测量方法，基于扫描隧穿裂结装置，所述扫描隧穿裂结装置包含：基底控温模块、基底、探针，包含以下步骤：S0.通过基底控温模块对基底加热到目标温度并保持目标温度恒定。S1.通过STM-BJ技术，在探针和基底之间构筑单分子结，在所述探针和所述基底之间施加第一偏压，电流测量回路测量所述探针和所述基底之间的第一电流值，计算单个分子第一电导值；S2.在所述探针和所述基底之间加入与所述第一偏压不同的第二偏压，持续T1时间，电流回路获取所述探针和所述基底之间的第二电流值，计算得到第二电导值，若第二电导值和S1所述第一电导值在电导统计直方图统计范围内，则判定目标分子成功连接到所述探针和所述基底之间并执行S3；S3.将探针悬停并持续T2时间，在T2时间内，移除步骤S2的第二偏压，用电压放大器回路测量所述探针和所述基底之间的电压值，得到分子结热电压；S4.得到分子结热电压之后，在所述探针和所述基底之间施加第三偏压，并同样持续T1时间后，电流测量回路获取所述探针和所述基底之间的第三电流值，计算得到第三电导值；在所述探针和所述基底之间施加与所述第三偏压不同的第四偏压，电流测量回路测量所述探针和所述基底之间的第四电流值，计算得到第四电导值，若此时第三电导值和第四电导值在电导统计直方图统计范围内且与S2测量相近，则判定目标分子在S3过程中并未脱落；S5.多次重复S1-4，获取同一温度下分子结热电压的多次测量结果，统计得到目标分子对应目标温度的准确热电压。S6.调节基底处于新的温度，重复步骤1-5，获取多个基底温度下的分子结的热电压，计算得到该分子结的塞贝克系数。进一步地，步骤S5中，统计得到目标分子对应目标温度的准确热电压具体为：通过将多次热电压的测量结果做成一维直方统计图，然后用高斯拟合得到该温度下分子结的热电压的具体数值。进一步地，步骤S6中，计算得到该分子结的塞贝克系数具体为：多个基底温度下的分子结的热电压做成散点图；线性拟合，得到的曲线的斜率即为分子结的塞贝克系数。进一步地，所述散点图横坐标为温度T，所述散点图纵坐标为分子结热电压V，塞贝克系数进一步地，所述T1时间为30-80ms。进一步地，所述T2时间为50-100ms。进一步地，所述电流测量回路和所述电压测量回路之间设置有继电器，所述继电器用于在所述探针和所述基底之间切换电流测量回路或所述电压测量回路。进一步地，所述第一偏压、所述第二偏压、所述第三偏压、所述第四偏压的范围为0.05到0.2V。进一步提供一种基于STM-BJ的单分子结热电势测量设备，基于扫描隧穿裂结装置，所述扫描隧穿裂结装置包含：基底控温模块、基底、探针，所述探针和所述基底之间设置有继电器，所述探针和所述基底之间通过继电器连接电流测量回路、电压测量回路，所述继电器用于在所述探针和所述基底之间切换所述电流测量回路或所述电压测量回路。因此，本专利技术提供以下的效果和/或优点：1、本专利技术通过获取单个分子-验证单个分子-测量热电压-验证单个分子，并且重复得到多个数据后，进行相应的统计和计算方法得到分子结的塞贝克系数。2、本专利技术依据单分子结热电势对温度差和分子结构敏感的特点，基于STM-BJ技术给基底提供一个稳定且容易调节的热源以实现在分子结两端构建温差，通过引入独立的电压放大器测量分子结形成后由于温差产生的电动势，从而实现单分子结热电势的测量。与MCBJ技术和STM-BJ针尖控温技术相比，该研究手段具有简单、高效、可调范围广且容错率高等优点，极大提高单分子结热电势的测量效率，促进新型有机热电材料的研发，为这个能源亟待变革的社会提供强大的助力。3、本专利技术通过两次验证获取单个分子的电导特性，可以确保单次测量过程中，始终测量得到的结果是单个分子对应的结果。4、本专利技术直接通过探针、分子、基底构建分子结，并在探针和基底之间加入测量回路，可以方便获取分子结的电流、电压特性，从而为下一步统计、计算更方便、快捷的提供参数。5、本专利技术通过将多次热电压的测量结果做成一维直方统计图，然后用高斯拟合得到该温度下分子结的热电压的具体数值。并且多个基底温度下的分子结的热电压做成散点图；线性拟合，得到的曲线的斜率即为分子结的塞贝克系数。拟合峰中心为统计图中最可信的数值，塞贝克系数本身就是热电势和温差成正比的一个系数6、本专利技术提供的对应设备，在针尖和基底之间并联了一条新的测量回路，这条回路里面加入了一个电压放大器,用于直接读取分子结两端的热电压。除此之外，我们还引入了一个控制继电器，该继电器用来控制单刀双掷开关，用以切换电流放大器回路和电压放大器回路。应当明白，本专利技术的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本专利技术的进一步的解释。附图说明图1为本专利技术的流程示意图。图2为吡咯并吡咯二酮类分子的分子结构示意图。图3为吡咯并吡咯二酮类分子的电导测试结果图。图4为吡咯并吡咯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于STM-BJ的单分子结热电势测量方法，基于扫描隧穿裂结装置，所述扫描隧穿裂结装置包含：基底控温模块、基底、探针，其特征在于：包含以下步骤：/nS0.通过基底控温模块对基底加热到目标温度并保持目标温度恒定。/nS1.通过STM-BJ技术，在探针和基底之间构筑单分子结，在所述探针和所述基底之间施加第一偏压，电流测量回路测量所述探针和所述基底之间的第一电流值，计算单个分子第一电导值；/nS2.在所述探针和所述基底之间加入与所述第一偏压不同的第二偏压，持续T1时间，电流回路获取所述探针和所述基底之间的第二电流值，计算得到第二电导值，若第二电导值和S1所述第一电导值在电导统计直方图统计范围内，则判定目标分子成功连接到所述探针和所述基底之间并执行S3；/nS3.将探针悬停并持续T2时间，在T2时间内，移除步骤S2的第二偏压，用电压放大器回路测量所述探针和所述基底之间的电压值，得到分子结热电压；/nS4.得到分子结热电压之后，在所述探针和所述基底之间施加第三偏压，并同样持续T1时间后，电流测量回路获取所述探针和所述基底之间的第三电流值，计算得到第三电导值；在所述探针和所述基底之间施加与所述第三偏压不同的第四偏压，电流测量回路测量所述探针和所述基底之间的第四电流值，计算得到第四电导值，若此时第三电导值和第四电导值在电导统计直方图统计范围内且与S2测量相近，则判定目标分子在S3过程中并未脱落；/nS5.多次重复S1-4，获取同一温度下分子结热电压的多次测量结果，统计得到目标分子对应目标温度的准确热电压。/nS6.调节基底处于新的温度，重复步骤1-5，获取多个基底温度下的分子结的热电压，计算得到该分子结的塞贝克系数。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于STM-BJ的单分子结热电势测量方法，基于扫描隧穿裂结装置，所述扫描隧穿裂结装置包含：基底控温模块、基底、探针，其特征在于：包含以下步骤：
S0.通过基底控温模块对基底加热到目标温度并保持目标温度恒定。
S1.通过STM-BJ技术，在探针和基底之间构筑单分子结，在所述探针和所述基底之间施加第一偏压，电流测量回路测量所述探针和所述基底之间的第一电流值，计算单个分子第一电导值；
S2.在所述探针和所述基底之间加入与所述第一偏压不同的第二偏压，持续T1时间，电流回路获取所述探针和所述基底之间的第二电流值，计算得到第二电导值，若第二电导值和S1所述第一电导值在电导统计直方图统计范围内，则判定目标分子成功连接到所述探针和所述基底之间并执行S3；
S3.将探针悬停并持续T2时间，在T2时间内，移除步骤S2的第二偏压，用电压放大器回路测量所述探针和所述基底之间的电压值，得到分子结热电压；
S4.得到分子结热电压之后，在所述探针和所述基底之间施加第三偏压，并同样持续T1时间后，电流测量回路获取所述探针和所述基底之间的第三电流值，计算得到第三电导值；在所述探针和所述基底之间施加与所述第三偏压不同的第四偏压，电流测量回路测量所述探针和所述基底之间的第四电流值，计算得到第四电导值，若此时第三电导值和第四电导值在电导统计直方图统计范围内且与S2测量相近，则判定目标分子在S3过程中并未脱落；
S5.多次重复S1-4，获取同一温度下分子结热电压的多次测量结果，统计得到目标分子对应目标温度的准确热电压。
S6.调节基底处于新的温度，重复步骤1-5，获取多个基底温度下的分子结的热电压，计算得到该分子结的塞贝克系数。


2.根据权利要求1所述的一种基于STM-BJ的单分子结热电势测量方法，其特征在于：步骤S5中，统计得到目标分子对应目标温度的准确热电压具体为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪文晶，李国鹏，陈杭，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35