文獻回顧

這一節最主要是回顧這個領域上的理論計算以及實驗。第一個在 實驗上測出了單一苯環分子的分子接面電導為 1997 年的 M. A. Reed 他們使用 Break junction 的方法，測量出了單一苯環分子的 I-V 特性 [16]，先製造出一條金線，接著使苯環附著到金線上，然後將金線拉 長直到它斷裂，藉此方法得到分子接面。結果如圖.1，由圖可看出不 同 電 壓 下 的 電 流 ， 且 由 電 流 對 電 壓 微 分 得 到 differential conductanceconductance。此實驗為分子接面這個領域跨出了第一步。

圖. 1 製造金電極與苯環系統的流程圖，以及所量測到的電流和 Conductance。[16]

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到了 2000 年時 M. Di Ventra 和 N. D. Lang 利用第一原理的方式計 算了相同系統的 I-V 特性[17]，他們將電極用 Jellium model 近似，利 用密度 泛函理論 (Density Functional Theory;DFT) ， 並將 exchange correlation potential 用 LDA 近 似 ，然 後 去 解 Lippman-Schwinger equation 得到波函數，最後再用波函數去計算電流，得到結果如圖.2，

I-V 特性的結果與實驗非常的接近，但數值大約差了兩個數量級，但 是趨勢上大致相同。之後的實驗再修正一些實驗誤差後，與此理論計 算出來的結果只差一個數量級。

圖. 1 M. Di Ventra 和 N. D. Lang 利用第一原理計算苯環系統的電流和 Conductance。[17]

接下來我們就來介紹第一個量測原子尺度下的熱電效應的實驗，

1999 年 Ruitenbeek 藉由拉長鋁線的方式，同時測量原子尺寸的金屬 鋁接觸熱電勢和電導率[30]，如圖.3。量測出來的電導呈現一個有規

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律的階梯狀，但是所測量的 Seebeck 係數為鋁原子大小的接觸是隨機 分佈的，可以是正的或負的符號

圖. 3 Ruitenbeek 測量原子尺寸的金屬鋁接觸熱電勢和電導率。[30]

2007 年，Pramod Reddy 利用 SPM 的方式量出了分子接面系統的 Seebeck 係數[6]，實驗的方法是在一個金的基板上先長一層 BDT 或 DBDT 或 TBDT，然後讓 STM 的金探針接近基板，使基板上的分子

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也附在探針上，則分子接面系統就完成了。當探針與基板夠近後開始 給電位差測電流，確定是否有分子同時連接到基版以及探針，之後將 金探針連接一個較大的熱容的東西保持室溫，基板則連接一個熱源，

使得基版與探針間有溫度差，並將提供的電位差關掉，來測量此系統 的 Seebeck 係數。此實驗是第一個測量出單一分子接面系統的 Seebeck 係數。

圖. 4 Pramod Reddy 利用 SPM 的量測分子接面系統 Seebeck 係數的裝 置圖。[6]

接著 N.D. Lang 他們模擬鋁電極中間以碳鏈連接的奈米接面系統 [18]。他們模擬的系統圖如圖. 5。固定碳原子間隔為 2.5a.u.，最邊緣 的碳原子的位置在電極的 Jellium surface 下 1.4a.u.。他們分別模擬 3

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到 7 個碳原子的碳鏈，發現這碳鏈的電導會隨著碳原子數的不同而上 下振動，上下震動的原因為：每增加一碳原子，會有兩個電子增加到

軌域上，而軌域因為有兩個方向的簡併，所以一個 軌域可以填 入四個電子，然而增加一碳原子只會在軌域上增加兩個原子，使得

軌域會隨著碳原子的增減，形成填滿與半填滿的交錯，且電導會因 最上層軌域為半填滿時較高，故電導會因碳數的增加而有上下震動 的情形。而我們對其 Seebeck 係數很好奇是否也有類似的情況。

圖. 5 N.D. Lang 計算鋁電極中間連接碳鏈的奈米接面系統結果。[18]

我們之所以選擇碳鏈系統，還有另外一個原因，是因為碳鏈系統 目前已經可以經由實驗而製作出來。2009 年 Sumio Iijima 藉由 TEM

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的方式，利用電子束去撞擊 graphene，把 graphene 旁邊的碳原子打掉，

而成為一個一維的碳鏈[31]。之後也發現一維的碳鏈是一個很穩定的 結構。因此也讓我們對於研究碳鏈系統產生更大的興趣。

圖. 6 Sumio Iijima 藉由 TEM 製作一維碳鏈的結果。[31]

1959 年 Feynman 曾在一個演講上，提到他要懸賞當時的 1000 美 元，給第一個找到最小的馬達的人，那也讓我們對於製作分子馬達產 生興趣。而 Ben L. Feringa 也提出建構分子馬達在奈米技術領域的未 來發展前景[19]，因此很多科學家投入分子馬達的研究，1999 年 Feringa 及 Harada 共同建立了可連續轉動的元件[11]，其做法是先用

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紫外光讓分子轉 180 度，並處於較高能量狀態，之後控制溫度，使分 子改變立體結構，達到較穩定的狀態，此過程為不可逆反應，故轉動 只會沿單一方向進行，同樣過程再重覆一次，即完成 360 度轉動，此 實驗是第一個製作出分子馬達。此處所介紹的分子馬達仍相當原始，

甚至算不上是馬達，但畢竟已是一大突破。能夠旋轉的東西都具有對 稱的結構，而分子結構中的不對稱中心卻是成功的原因，找到了使分 子單向轉動的機制，可預期未來會有更多「分子馬達」陸續問世，且 功能也將日漸精進。

圖. 7 Feringa 及 Harada 所建立的利用紫外光所驅動的可連續轉動元件 的原理及流程。[11]

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由於我們希望設計出一分子馬達是利用電流的流動使中間分子 系統產生旋轉，電流感應力(Current induced force)是由 Direct force 跟 Wind force 所組成的，Direct force 是由電壓差所產生的靜電力，而 Wind force 則是由電流所攜帶的電子風感應而產生，Wind force 如果 過大，會導致中間分子結構的崩壞，但是如果適當的 Wind force 則可 以用來驅動旋轉中間分子產生分子馬達，因此我們希望能夠製作出以 電流感應製做出的分子馬達。

2002 年 N.D. Lang 在金電極上接硫原子然後接苯環如圖.8，去觀 察通電流之後中間分子鏈的動作變化[20]，結果發現當電壓在 2.4V 時 苯環會有往外擴張的現象，當電壓至 2.8V 時苯環則是會往內縮，會 產生一種類似呼吸的震動，直到 4.4V 時硫金間的鍵結會減弱，使苯 環會有逆時針擺動的現象。此現象說明電流具有驅使中間分子鏈的作 用力，若能找到一較易旋轉的結構，或許就能製作出分子馬達。

圖. 8 N.D. Lang 在金電極上接琉原子然後接苯環的結構示意圖。[20]

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圖. 9 N.D. Lang 在金電極上接琉原子並接上苯環的模擬結果。[20]

接著在 2008 年的時候，van Ruitenbeek[21]的實驗室發現若利用苯環 分子的鍵直接與鉑(Pt)電極作連接可以得到較高的 conductance，傳 統利用硫-金鍵結的方法得到的 conductance 較低，且容易受到環境的 影響，有不穩定的現象。他們量測不同偏壓下以及電極距離下的 conductance，當電極距離拉長時，苯環分子會傾斜一個角度，而且 conductance 會下降，因為將電極距離拉長會破壞鉑和碳之間的鍵結，

結果如圖. 8。利用苯環傾斜的不對稱結構，與類似水車的轉動原理，

讓我們覺得這個結構會很有機會依靠電流產生轉動，而形成一分子馬 達。

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圖. 10 (a)測量苯環在不同電極距離下的 conductance 以及 vibration energy。(b)測量苯環在不同 conductance 下的 shot noise。[21]

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