基于扫描隧道显微镜的断裂接合技术教程

《ACS Physical Chemistry Au》：Scanning Tunneling Microscope-Based Break-Junction Technique─A Tutorial

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在过去的二十年里，分子电子学在发现传统电子元件的纳米级类似物方面取得了显著进展，这主要得益于基于扫描隧道显微镜（STM）的断裂结（STM-BJ）技术的发展。STM-BJ 技术能够精确且高度可重复地测量分子的电子传输特性，使其成为探索那些难以用其他方法研究的生理化学和电化学现象的强大工具。在过去20年里，该技术获得了广泛的普及，实验内容也变得越来越多样和复杂。尽管相关文献很多，但一个易于理解、实用的 STM-BJ 实验操作和数据解析指南却相对缺乏。本教程首先简要介绍了 STM-BJ 测量的发展背景，随后详细解释了仪器设备、数据收集、统计分析、标准实验的变体以及一些故障排除方法。它适用于希望在实验室开始或改进 STM-BJ 研究的研究人员、学习该技术的研究生和博士后研究员，以及希望批判性评估不断增长的 STM-BJ 文献的读者。

在过去的二十年里，分子电子学在发现传统电子元件的纳米级类似物方面取得了显著进展——包括电阻元件、(1?6) 二极管、(7?11) 开关、(12?19) 晶体管，以及最近发现的高导电性纳米线(26?28)。这些进展在很大程度上得益于基于扫描隧道显微镜的断裂结（STM-BJ）技术的发展(29?32)。在该技术中，STM 尖端与基底之间的薄金属触点在目标分子存在的情况下被断裂，从而使单个分子能够桥接由此产生的间隙。STM-BJ 技术能够精确且高度可重复地测量分子的电子传输特性，使其成为探索那些难以用其他方法研究的生理化学和电化学现象的强大工具。

STM-BJ 技术最初由 Agra?t 及其同事在1993年开发(33)，用于研究金属点接触，随后在2003年由 Xu 和 Tao 应用于单分子器件的电导测量(3)。在过去20年里，该技术获得了广泛的普及，实验内容也变得越来越多样和复杂。许多综述详细介绍了方法学上的进展以及在纳米尺度物理、化学和量子传输领域的科学见解(34?39)。尽管相关文献很多，但一个易于理解、实用的 STM-BJ 实验操作和数据解析指南却相对缺乏。本教程首先简要介绍了 STM-BJ 测量的发展背景，随后详细解释了仪器设备、数据收集、统计分析、标准实验的变体以及一些故障排除方法。它适用于希望在实验室开始或改进 STM-BJ 研究的研究人员、学习该技术的研究生和博士后研究员，以及希望批判性评估不断增长的 STM-BJ 文献的读者。

1. 背景

一些关于原子尺度金属系统中电荷传输的首次突破和基本见解是通过机械控制的断裂结（MCBJ）技术获得的，包括首次在金属系统中展示量化电导现象(29,40)。在这种方法中，一根含有狭窄缩口的金属线被安装在柔性基底上，并用压电执行器弯曲。当缩口缩小到单原子尺寸并最终断裂时，在电线上施加电压(V)，并测量电流(I)随位移的变化。反向弯曲可以恢复接触，从而实现数千次断裂和重新连接循环下的电导测量。利用 MCBJ 技术进行的实验表明，Au、Ag 和 Cu 原子接触的电导是以 G0 = 2e2/h 的单位量化的，其中 e 是电子的电荷，h 是普朗克常数。这与第11族金属的电子构型一致，这些金属的 d 轨道完全占据，而一个单占据的 s 轨道提供了唯一的、完全传导的通道。相比之下，其他金属原子接触（例如 Pt、Al、Pb、Nb）具有多个部分打开的通道，反映了它们的部分填充的 s、p 和/或 d 轨道的贡献(41?43)。

1993年，Agra?t 及其同事将 BJ 方法适应用于 STM 设置中(33)。在 STM-BJ 技术中，STM 尖端在施加偏压的情况下与基底接触和分离，同时连续测量尖端-样品位移下的电流。这种方法可以生成类似于 MCBJ 实验中获得的电导-位移曲线。利用这种方法，Agra?t 等人报告了 Au 和 Pb 点接触中的明显电导量化特征(33)。1997年，Reed 等人首次使用 MCBJ 方法测量了涂有 1,4-苯二硫醇的金纳米间隙的单分子结的电导(2)。随后，人们利用该技术测量了从 H2 到复杂有机系统的各种分子(31,44?49)。分子电导也在电迁移断裂结中得到测量(50?53)，这是一种类似的技术，其中使用电流来断裂微米级凹槽金属线，而不是机械弯曲(20,54)。

2003年，Xu 和 Tao 首次将分子引入基于 STM 的断裂结中，测量了烷基二硫醇和 4,4-联吡啶的电导(3)。在目标分子溶液中分离 Au 电极后，观察到电导-位移曲线上出现了小于 G0 的电导台阶，这对应于由 S–Au 和 N–Au 配位形成的分子桥。2006年，Venkataraman 等人证明胺基终止的分子会产生高度可重复的电导特征(55)，促进了大量系统研究，这些研究映射了分子结构与电荷传输之间的关系(56)。在这些基础实验之后，STM-BJ 技术被广泛用于探索单分子水平上的结构-功能关系，并探索了许多化学和物理现象，包括量子干涉(57?60)、热电效应(61?63)、电化学开关和栅控(64,65)、反应性(66?70)以及光电功能(71?73)等。与类似技术相比，STM-BJ 具有多种独特优势。实验设置简单，可以使用低成本的商业电子部件轻松实施。无需复杂的尖端制造，测量可以在空气或溶剂中的常温条件下进行。这种简单性与稳健稳定的结环境相结合，实现了高通量；可以在几小时内测量数千个结，以确保统计结果的有效性。由于测量与溶液兼容，因此可以用少量的样品（1毫克或更少）探索多种结构。该方法还具有高度可定制性，可以与其他基于显微镜和光谱学的工具结合使用。

电导实验的结果可以与密度泛函理论（DFT）计算进行比较，以解释不同分子家族之间的趋势，并理解分子的电子结构对测量电导的影响。这有助于确定电荷传输的类型（例如电子传输或空穴传输），以及量子干涉效应对电导增强或抑制的影响。电导来源于两个电极之间的电子传输；它受 Landauer 公式的支配，并通过传输概率的计算来确定。传输取决于分子轨道与金属电极的耦合程度（拓宽或缩小共振），以及这些轨道与电极费米能级的能量对齐情况。当主导传输轨道（即能量上最接近并且与电极耦合的轨道）远离费米能级时，传输是通过非共振机制进行的；如果主导轨道落在实验偏压窗口内，则传输是通过共振机制进行的（图1b）。

图1
a) 单分子结的形成和断裂示意图：电极接触后，缩回以建立单原子 Au 点接触，进一步分离形成 Au-分子-Au 结，最后完全分离。
b) 示意图显示了共振和非共振传输状态。在低偏压测量下，导电轨道通常远离实验偏压窗口（左侧面板）。当偏压增加并且可以直接访问导电轨道时，会发生共振传输（右侧面板）。在这种方案中，偏压窗口关于 EF 对称开放，这符合空气/非极性溶剂环境中的预期（见第5部分）。
c–e) 4,4′′-二氨基-p-联苯（pTDA）的基于 DFT 的传输计算。图(d) 中显示的传输函数是为绑定在 2 × 22 原子模型电极上的单个 pTDA 分子计算的。靠近 EF 的共振处的本征态与孤立分子的 HOMO（c）和 LUMO（e）的轨道等值面计算非常吻合。

例如，我们在图1d中展示了 4,4′′-二氨基-p-联苯（pTDA）分子结之间的计算传输。传输函数是使用 FHI-aims 软件包中的非平衡格林函数（NEGF）方法和 PBE 功能计算的(75?79)。我们遵循标准程序，首先优化每个氮原子连接单个 Au 原子的孤立分子的几何结构，然后向每个 Au 原子的两侧添加 Au21 团簇以模拟电极，接着使用 AITRANSS 软件包计算传输(75?77)。这些计算的结果显示在图1c-e中，突出了负责传输的轨道以及共振处的本征态。我们将这些本征态与孤立分子中前沿轨道的等值面计算进行比较（图1c 和 1e），发现它们非常相似。

由于电流与施加偏压窗口内的传输曲线积分成正比，可以通过比较费米能量处的传输来评估多个分子的电导趋势。这些使用低阶泛函（如 PBE）的计算会由于 DFT 方法本身的误差而高估电导(75,77)，因此主要用于研究实验趋势，而不是用于定量精度。有关传输计算的更多细节可以在其他综述中找到(34,80)。

2. 仪器设计

STM-BJ 技术的一个独特且吸引人的优点是，该仪器可以由市场上购买的部件构建。虽然不同实验室的仪器细节可能有所不同，但基本设置要求以亚埃精度移动 STM 尖端相对于基底的位置，在分子结上施加电压，并以千赫兹的速度测量皮安到微安级别的结电流以确定电导。结电流和电压的移动及同时测量通过自动化实验程序控制，从而可以在不进行数据选择的情况下收集数千条电导-位移曲线用于统计分析。所需设备如下，包括我们实验室使用的具体部件：
(1) 尖端和样品支架（定制）。
(2) 压电执行器，用于以亚埃精度控制尖端/基底之间的相对运动（Mad City Laboratories HSZ 或 Physik Instrumente P-840.10）。
(3) 粗进电机，用于将尖端靠近基底，使其在压电执行器的行程范围内（Newport NSA12 或 Newport Agilis AG-LS25）。
(4) 电流放大器，用于将皮安级别的结电流转换为可测量的电压信号（Keithley 428-PROG 或 Femto DLPCA-200 或 NF Corporation CA5350）。
(5) 用于结偏压和压电电压的干净、低噪声电压源（National Instruments 数据采集卡 PXI-4461 或 PXI-4468）。
(6) 数据采集系统，用于收集数据并实现仪器与计算机之间的通信（National Instruments 数据采集卡 PXI-4461 或 PXI-4468）。
(7) 用于隔离设置的振动隔离装置，如蹦极系统、主动隔离台（HWL Scientific TS-150）或空气台（可能需要额外的振动隔离材料）。
(8) 声学/电气隔离室（法拉第笼），以防止噪声干扰测量（定制）。

图2显示了一个 STM-BJ 设置的示例。作为尖端的金属丝段直径为250微米（Fisher Scientific 11337058，纯度99.998%），长度约为3-8毫米。尖端由定制的机械支架固定（图2b）。作为基底的钢制 AFM/STM 10毫米直径样品盘（TedPella 16207），表面通过热蒸发或电子束蒸发涂有100纳米厚的 Au 层（图2c）。尖端和基底都安装在小永磁體上，这些永磁体提供了足够的机械稳定性，以防止在垂直（z轴）驱动过程中发生横向（x-y）运动或抖动。图2d是一个放大后的照片，显示了一个手工切割的尖端与镀有 Au 的基底接触的情况。为了测量电导，使用数据采集卡向尖端（或基底）施加电压，并使用跨阻（电流）放大器测量来自基底（或尖端）的电流。所有电线都使用同轴电缆进行连接，以屏蔽信号受到的交流噪声影响。

图2：
a) STM-BJ实验装置置于一个兼具声学和电子隔离功能的隔离平台上。探针通过磁力固定在一个可以上下移动的上平台上，该平台由具有亚微米级步长的粗进电机控制。基底则安装在一个与压电执行器相连的磁性支架上，以实现亚埃级步长的移动。
b) 定制制造的探针支架。
c) 基底由镀有100纳米金层的钢盘制成。
d) 探针尖端与基底接触的特写图像。

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基底和探针沿z轴的相对运动通过两种机制实现：粗进电机在实验准备阶段提供微米级的移动，而压电执行器则在测量过程中实现亚埃级的精确移动。在图2所示的装置中，粗进电机负责提升和降低固定探针的钢平台，压电执行器则负责移动基底。需要注意的是，这种设计有多种变体；压电执行器可以用于移动探针或基底。粗进电机通过制造商提供的软件进行控制，而压电执行器的动作则响应STM-BJ电子设备施加的电压。压电执行器的移动首先通过干涉测量法进行校准。在校准完参考压电执行器后，其他装置中的压电执行器可以通过匹配已知分子结的距离来进行相对校准。

图3显示了一个STM-BJ装置的电路图。探针和基底的接触与分离通过压电执行器进行亚埃级控制。实验参数（包括由电压VP驱动的压电运动和施加的结偏压VA）在实验用户界面中设置，24位数字模拟转换器将这些电压输出到仪器中。电流Iin在结电极上流动，电流放大器将其转换为电压信号VK。用户界面中设置的增益（Gain）直接传递给电流放大器，从而确定检测灵敏度（VK/Iin = 10Gain）。为防止放大器过载，在电极接触时使用串联电阻Rseries（通常为10 Ω至1 MΩ）来限制电流。当结电阻小于串联电阻时，该电阻还可以在低电阻情况下衰减电压。这允许在不需要改变放大器增益的情况下测量更大的动态电导范围。应仔细调整Rseries的值以适应所测量结的电导（电导较高时使用较小的Rseries），以避免大部分施加的偏压降落在Rseries上而不是结上。模拟数字转换器从电流放大器收集VK和VM（串联电阻后的实际结偏压），并将这些数据传输到用户界面。电导的计算公式为G = Iin/VM。需要注意的是，根据实际使用的数据采集卡的输入阻抗，可能需要使用电压跟随器。如果输入阻抗较低（例如1 MΩ），测量得到的VM会低于真实的结偏压；电压跟随器可以防止这种差异。

图3显示了STM-BJ的基本原理图。金探针和基底构成结电极。通过向压电执行器施加电压VP来控制探针和底座的相对运动，并在电极上串联一个电阻Rseries来施加结偏压VA。实际测得的结偏压VM被记录下来。电流Iin通过跨电极流动，然后由跨阻放大器转换为电压VK。所有电压均使用National Instruments数据采集卡进行测量。

STM-BJ仪器对外部振动（包括声学噪声）非常敏感。实验装置应建在防振表面上（例如气垫平台、主动式振动隔离装置或使用长蹦极绳悬挂），或者放置在安静的房间内。整合探针、基底、磁铁、压电元件和步进电机的机械设计具有灵活性，可以采用多种方式实现。然而，至关重要的是探针和基底必须作为一个整体进行振动隔离（例如连接到一个大的金属块上），以确保任何相对运动仅由压电执行器或粗进电机的受控驱动引起。仪器电缆不应捆绑或受到约束，因为过于刚性或拉紧的电缆可能会传递振动，从而影响电导测量结果。

测量结果也极易受到其他电子噪声的影响，尤其是来自附近交流电源和电子设备的噪声。正确的接地非常重要，应使用具有良好屏蔽效果的高质量BNC同轴电缆并确保连接牢固。屏蔽层必须在整个装置中保持连续，并延伸到可能充当天线的任何裸露金属部件上。为防止地环路，所有用于数据采集的同轴电缆的接地屏蔽层都应连接到同一接地端。必要时可以将实验装置置于法拉第笼或类似的屏蔽箱中，以进一步防止不必要的电气干扰。通过物理隔离携带交流电的电缆和设备与直流数据线，可以进一步降低电子噪声的影响。机械振动、声学噪声和交流干扰都会在电导测量结果中产生明显的异常信号，详见第3.3节“数据采集”。

STM-BJ数据的收集通常通过在仪器控制软件（如Igor Pro）中实现的自动化实验程序来完成。一旦设置了参数（例如偏压、探针-基底位移距离），就可以在几乎不需要人工干预的情况下进行测量。然而，应实时监控测量过程，因为某些错误可能需要暂停实验以调整参数或进行机械故障排查。在数据采集过程中，探针和基底会反复接触和分离。在这些接触-分离循环中，会在结上施加偏压，持续记录电流，并实时计算电导。对于每个循环，电导值会随探针-基底位移变化而绘制出来，这些曲线可用于评估数据质量和实验稳定性。在本节中，我们描述了实验前探针和基底的准备工作、电导-位移曲线的解读及自动化实验所需的参数。

3.1 探针和基底准备
金是最常用的STM-BJ实验电极材料，因为它在整数倍的1 G0下表现出电导跃变，并且在常温条件下具有抗氧化性。其他导电金属（如Pt/Ir）也被用作探针。(81,82) 当与金基底配对时，铂铱探针尖端会覆盖一层薄金，从而使实验实际上探测到金-金点接触。这里提供了金电极的制备方法，因为这是最常用的配置。

STM探针是通过使用干净的、锋利的剪线刀切割250微米长的金线制成的。在显微镜下，探针应呈尖锐状，但不应有过度锥形或针状。过薄的探针在多次接触后容易弯曲或变形。随着经验积累，不必每次都在显微镜下检查探针状态。镀金基底可以使用紫外线臭氧或等离子清洗机进行清洁，以去除有机污染物，确保结形成的表面干净。在任何实验之前，必须验证探针的完好性，并通过收集1000个在100 mV偏压下的干净金-金接触点的电导-位移曲线来确认仪器正常工作。这些初步测量可以确保探针和基底表面的清洁，并在添加样品前识别出任何机械或电气噪声源。没有加入额外的分子溶液时，故障排查会简单得多，因此应在这一阶段解决任何问题。

3.2 电导-位移曲线
开始测量之前，压电执行器将探针和基底 brought together 直到建立电接触（表现为足够高的电导读数，例如 ?5 G0）。然后将其分开，同时连续记录电流，从而计算并显示电导作为探针-基底位移的函数。当接触从宏观尺度缩小到几个原子级别时，电导会以量化步长减少，接近电导量子G0 = 2e2/h的整数倍。在1 G0处的短平台对应于单原子金接触。当这种接触断开时，电导会急剧下降几个数量级，降至仪器的噪声水平，该噪声水平取决于放大器的增益、测量速度下的带宽、施加的偏压以及环境噪声的屏蔽效果。在1 G0附近或接近1 G0处显示出清晰平台的电导-位移曲线是探针和基底准备良好的强烈指标。图4a提供了一个展示这些特征的示例曲线。收集1000个金-金接触点的电导-位移曲线后，系统即可用于分子测量。

图4：
a) 在100 mV偏压下测量的干净金-金接触点的电导-位移曲线。在0纳米位移处，金-金接触点的电导大于5 G0。当位移约为2.4纳米时，单原子接触形成的平台清晰地断开，降至仪器噪声水平。插图：随着金-金接触从3原子截面变为1原子截面，电导以G0的整数倍变化显示的线性比例图。
b) 在250 mV偏压下测量的100 μM pTDA在TCB中的示例曲线。注意，由于偏压较高，噪声水平低于图a。插图：pTDA结构通过N个孤对与金电极连接。

STM-BJ测量通常在室温下的溶液中进行。样品使用非极性、低挥发性的溶剂（如1,2,4-三氯苯（TCB）或十四烷（TD）配制。非极性溶剂可以最小化溶液的背景导电性，而高沸点则确保在收集几千条曲线（大约每条曲线1-2秒）的过程中，少量的溶液体积（小于100 μL）不会因蒸发而显著减少。在低沸点溶剂中进行测量时，可以在基底周围构建一个较大体积的溶液容器，但这会增加测量的复杂性并可能导致交叉污染。极性溶剂（如丙二醇碳酸酯）也可以使用，但需要在第5节中讨论的额外注意事项，例如需要绝缘探针以避免溶液的背景导电。还可以在无溶剂条件下进行测量，方法是将基底浸入含有分析分子的水溶液或挥发性溶剂中，然后让溶剂在测量前蒸发。(84?86) 这种技术可以避免与极性、溶解度和蒸发相关的一些限制。

在进行溶液相测量时，浓度通常为50–150 μM。在这个范围内，大多数测量结果会显示出分子结的形成，单分子结的形成概率高于两个或多个分子同时桥接的结。由于STM-BJ技术的灵敏度要求，溶剂和样品的纯度必须很高（通常>98%）。杂质会干扰结的形成、污染电极并引入虚假峰。只需将少量溶液（20–50 μL）直接滴在基底上。

当加入样品并且一个导电分子桥接电极时，在金-金点接触断开至仪器噪声水平之间会出现一个额外的平台（图4b）。对于本教程中的示例测量，使用的例子是pTDA分子，该分子在STM-BJ实验中已被广泛研究，并具有明确的分子电导特征。通过与pTDA的Au–N协调作用形成连接点，其中胺的孤对电子通过供体-受体键与Au电极结合。(55,56)胺类连接剂产生了最可重复的STM-BJ电导特征，吡啶和甲基硫（-SMe）基团也是如此。关于与STM-BJ测量兼容的各种连接剂的选择和性能的更详细信息可以在其他研究中找到。(36,87?90)这种分子平台的长度大致与分子在锚定基团之间的长度相对应。(91)当Au–Au原子接触断开时，电极几何形状会恢复，这一过程称为电极“回弹”，导致测量的位移 underestimated 电极间距，从而导致平台长度与真实分子长度之间的不匹配。(91,92)回弹距离取决于电极几何形状和实验条件，如温度(93)或溶剂环境(94)。因此，假设或应用一个固定的回弹值（例如0.5纳米）来处理所有测量结果是不对的。回弹的程度也因样本而异，这导致了直方图分析中观察到的平台长度的变化。电导平台的形状和持续时间因尖端几何形状（包括回弹）、分子构象和Au连接剂结合配置的变化而有所不同。(95,96)这不仅体现在单个平台内的波动上，也体现在比较不同样本的特征时。电导测量通常以40–100 kHz的数据采集速率进行，任何测量电流的波动都是由于较慢的过程引起的。在1 μs以上速率发生的电导变化（例如，由于键旋转引起的变化）无法使用标准电流放大器在时间域中直接捕获，因为它们的带宽限制了这种信息的检测。因此，只能确定这些效应对接头最可能电导的影响。(97)为了从单分子接头测量中得出结论，必须收集并分析数千个单独的样本；集合平均可以提供具有代表性的电导值和结构-功能关系。

3.3. 从样本中诊断错误
如上所述，在引入样品溶液之前，必须收集1000个具有干净Au接触的初步样本。可以通过视觉评估这些样本，以快速识别和解决与接触、电子设备或实验参数相关的问题。这里我们提供了一些问题样本的常见特征和故障排除建议。较差的尖端几何形状或脏的尖端/基底是许多样本不规则性的最常见原因。那些缺乏明确定义的G0平台（图5a），而是在该区域显示出逐渐下降的电导的样本可能表明尖端形成的不好。另一个指标是Au–Au接触未能断开，或者需要较大的尖端-基底位移（>5纳米）才能使电导降至仪器噪声水平（图5b）。室温下的Au表面是动态的；每次接触时，尖端和基底的几何形状都会重新形成，因此随着收集更多数据，这些问题有时会得到解决。然而，如果这些问题在几百个样本中持续存在，则表明尖端的整体结构不合适或不稳定。因此，如果样本非常不规则，无法降至仪器噪声水平，或者反复显示出噪声/倾斜的过渡，一个简单的初步故障排除步骤是重新切割尖端。这通常可以解决与Au接触形状相关的问题。通过暂停自动化实验并使用压电控制手动将尖端移入和移出接触几次，也可以重塑Au表面。同样，样本可能显示出从多原子接触（>10 G0）到仪器噪声的突然下降，而没有明确的1 G0步骤（图5c）。这表明尖端是钝的、非锥形的，也可以通过重新切割或使用压电控制手动重塑来解决。

图5. 电导样本中的常见问题，包括：a) 斜坡或定义不清的G0平台；b) 未能断开或需要长时间位移才能在预设行程内断开的接头；c) 从多原子接触突然降至噪声，而没有建立单原子接触；d) 接近仪器噪声水平时的低电导值的倾斜或锥形特征；e) 在加入样品之前的干净Au–Au测量中的亚G0电导特征；f) 大约700 Hz的音频噪声（插图：显示电导波动的放大视图）；g) 20 Hz的机械振动，这种情况是由振动隔离故障引起的；h) 由接地环路引起的交流电气噪声。

可以在数据采集代码中引入自定义算法，以识别并丢弃那些在1、2或3 G0处没有明显特征的样本（表明没有形成Au–Au点接触），或者那些无法降至仪器噪声水平的样本，因为这些样本被认为是不完整的，因此会从直方图分析中排除。如果电导样本显示出逐渐下降到仪器噪声水平的噪声，而不是急剧下降（图5d），或者在引入样品溶液之前出现亚G0平台（图5e），则可能表明尖端或基底被污染，这两种情况都需要更换。

一维（1D）电导直方图（在第4部分中有详细讨论）可以设置为每记录100个样本自动生成。通过实时监控这些直方图以及单个电导样本，有助于评估数据质量，例如G0峰的一致性和存在的污染程度。随着尖端几何形状的变化，错误可能会消失；如果噪声样本非常少见，并且不影响直方图的外观，实验可以继续进行。

最初的Au–Au测量也作为一个有价值的诊断工具，用于检测机械问题。如图5f-h所示，声学、机械和交流电气噪声源会在电导样本中产生可识别的伪影。声学噪声（图5f）会导致高频振荡，可能由不良的声音绝缘或突然的大声响（例如说话、门砰声）引起。机械振动（图5g）会导致低频、不规则的振荡，振幅各不相同，通常由振动隔离不足、部件松动或部件与磁铁之间的物理接触不完美等原因引起。使用5纳米/秒或更慢的拉伸速率时，这些噪声最容易识别。来自附近来源的交流电气噪声（图5h）表现为电网频率（例如在欧洲、印度、中国为50赫兹，在美国为60赫兹）的高频振荡，通常是由于接地不当造成的。持续的交流噪声可以通过在仪器周围设置电子绝缘的法拉第笼来纠正，并通过消除仪器中的任何接地环路来消除。

另一个潜在的问题是尖端和基底之间的电气接触被中断；例如，之前实验中的溶剂或分析物在基底及其支架之间或尖端支架之间形成了绝缘层。这可能导致施加的偏压降低，难以实现高电导的尖端-基底接触。值得注意的是，电路中的小额外电阻会导致1 G0峰向较低的电导位移（例如0.9 G0）。因此，保持所有仪器部件无溶剂并且确保所有电气接触点保持干净和干燥是很重要的。

3.4. 实验参数
可以优化许多参数，以确保数据被准确记录，并且接触的形成和断开具有可重复性。表1提供了一系列参数以及我们实验室使用的默认值。所有参数都可以根据不同的数据采集系统和实验设置进行调整。采集速率决定了数据点测量的频率，从而决定了电导样本的分辨率。该速率取决于仪器中使用的模数转换器。在我们的实验室中，使用National Instrument PXI-4461卡时，最大采集速率为200,000个样本/秒。然而，必须选择速率，以确保它位于当前放大器在其特定增益设置下的带宽范围内。放大器增益决定了可以测量的电流范围。1 μA/V的增益足以测量电导高于10–6 G0的分子。测量电导较低的分子需要更高的增益（0.1 μA/V）和更慢的拉伸速度。

表1. 自动化STM-BJ测量的关键实验参数
| 参数 | 默认设置 |
|------------|-------------|
| 采集速率 | 40,000样本/秒 |
| 放大器增益 | 1 μA/V |
| 拉伸速度 | 20纳米/秒 |
| 行程 | 5纳米 |
| 接触阈值 | 5 G0 |
| 接触步长 | 0.5纳米 |
| 深度压痕间隔 | 50个样本 |
| 深度压痕前进 | 30纳米 |
| 深度压痕回缩 | -40纳米 |

我们实验室使用的典型默认值。数据采集参数定义了数据信号的记录方式，而运动控制参数（拉伸速度、行程、接触阈值、接触步长）决定了每个样本中尖端-基底的移动方式。深度压痕参数决定了Au接触的周期性、受控重塑，以在长时间数据采集过程中保持稳定的尖端几何形状，并确保在测量期间采样到多种电极几何形状。其余参数与尖端-基底相对运动的自动化有关。拉伸速度定义了压电元件将基底从尖端（或尖端从基底）拉出的速度。拉伸速度可以根据每个单独的设置进行优化，将取决于压电元件、电流放大器和数据采集系统的规格。拉伸速度太慢可能会导致更多的振动影响数据。我们的实验室使用的拉伸速度范围从1到750纳米/秒，尽管在高速度下数据质量会降低。(98) 行程是设定的位移距离。如果样本始终在总位移距离的末尾断开，或者测量的是长分子，建议增加行程，以确保所有接头断开并在下一个样本开始前检测到仪器噪声。例如，如果测量的是1纳米长的分子，一个好的起始行程是7纳米。对于更短的分子，5纳米的行程就足够了。增加行程还有助于在测量能够强烈结合并扭曲电极表面的分析物（例如硫醇）时保持尖端的可用状态。接触阈值定义了尖端和基底接触时产生的电导，以指示可以开始分离接触。接触步长定义了电极相互靠近的增量距离。在我们的实验室中，不记录前进行程，基底以较大的步长向尖端移动，以减少数据采集时间。减小步长可以提供更精细的控制，并减少在样本开始时形成非常大的接触的风险。

在测量过程中，定期将尖端和基底进行深度接触，以比标准样本更大幅度地重塑电极。深度压痕间隔决定了这一事件发生的频率；我们通常将深度压痕设置为每收集50个样本发生一次。这种接触的幅度由深度压痕前进和深度压痕回缩距离定义。这种周期性的Au接触重塑确保了在整个测量过程中，尖端和基底表面的显著变化，从而可以采样到不同的分子接头接触几何形状。

4. 数据分析：电导直方图
一旦记录了几千个电导-位移样本，就可以统计分析所得数据，而无需选择或过滤单个样本。在典型的STM-BJ实验中，分子接头的形成或“捕获”率相对较高；对于长度为1纳米或更长的分子，只要溶液浓度至少为10 μM，这一比率就超过90%。因此，所有连续记录的样本都应包括在分析中，无论每个样本中是否确实存在分子。没有必要过滤掉那些没有显示分子电导平台，而是从1 G0直接降至噪声水平的样本，因为这些样本不会显著改变直方图。通过筛选掉具有斜率平坦区域或其他意外特征的数据，可能会引入选择偏差，并掩盖重要的物理或化学信息，例如多态结合几何结构或低概率事件。最常见的数据展示方法是一维（1D）电导率直方图和二维（2D）电导率-位移直方图。在生成直方图之前，会对单个测量轨迹进行平滑处理。在我们的分析中，我们对所有轨迹应用了11级盒子平滑处理。在一维直方图中，电导率区间是对数刻度的。我们每十个数量级使用100个区间，并将所有电导率数据累积在这些区间内。然后这些一维直方图被绘制为每个轨迹的电导率计数。在比较图6中有无分子存在时的一维直方图时，需要注意到噪声底线峰值向较低电导率方向移动。这是由于从100毫伏（mV）的偏压收集初始金-金（Au–Au）轨迹改为250毫伏偏压进行分子测量的结果。由于噪声底线由电流放大器能够测量的最小电流决定，较高的偏压会产生更大的电流，从而使电导率峰值更易于与噪声底线区分开来。

图6：
a) 使用pTDA在250毫伏偏压下测量的单个电导率轨迹，以及根据该轨迹生成的对数分箱（每十个数量级100个区间）的一维直方图，突出显示直方图的关键区域。
b) 在添加样品之前，使用100毫伏偏压收集的1000个初始金-金轨迹生成的一维直方图，显示一个明确的1 G0峰值和一个反映仪器噪声的宽特征10–6G0。这些峰值代表了在此偏压下观察到的分子电导率的上限和下限。
c) 在250毫伏偏压下测量的10000个pTDA电导率-位移轨迹的对数分箱一维直方图，显示在1 G0金接触点和10–6G0仪器噪声峰值之间的分子电导率峰值。这个峰值通过高斯拟合来确定最可能的电导率。仪器噪声不应被误认为是分子电导率特征，通常为了清晰起见会从直方图中省略。由于施加偏压的变化，仪器噪声峰值位置从(b)到(c)略有移动。
d) 使用10–5的区间大小从(b)中显示的1000个金-金轨迹数据集生成的一维线性分箱直方图，并在对数-对数尺度上展示。插图：1 G0附近的区域以线性尺度显示。
e) 使用10–5的区间大小从(c)中显示的10000个pTDA轨迹数据集生成的一维线性分箱直方图。插图：分子峰值附近的区域以线性尺度显示。分子电导率表现为10–4到10–3 G0之间的峰值，峰值位置通过洛伦兹拟合确定。请注意，如图所示，线性分箱和对数分箱直方图之间的电导率峰值位置是不同的。

在早期的STM-BJ文献中，直方图通常是使用线性分箱构建的。这在较高电导率值时提供了高分辨率（例如，用于研究点接触），但较低电导率特征可能会被掩盖，宽峰只会表现为计数增加而不是一个清晰的峰值。Gonzalez等人于2006年引入了对数分箱方法。他们展示了，在线性分箱直方图中，电导率轨迹中的隧穿背景（表现为低电导率时的计数增加）在应用对数分箱后转变为恒定背景。我们还发现，线性直方图中的宽电导率特征在对数尺度上变成了明确的峰值，便于通过高斯拟合提取分子结的特征电导率值。重要的是，没有单一的“正确”方法来表示数据；每种方法都强调了分布的不同方面。因此，清楚地理解线性分箱和对数分箱的区别和局限性对于准确解释数据至关重要。图6b-e提供了从相同数据集生成的对数分箱和线性分箱一维直方图的比较。pTDA电导率特征（图6e）在线性分箱直方图中表现为一个出现在大约10–3 G0处的宽峰。虽然从对数分箱数据获得的电导率值倾向于偏向较高值（如图6所示），但现在对数分箱已成为报告分子电导率数据的标准方法。

如果使用至少3000个轨迹的数据集，直方图的分辨率最佳。如图7所示，由10个轨迹生成的直方图非常参差不齐，而在一维直方图中观察到的电导率最大值不一定对应于最可能的电导率值。然而，随着额外轨迹的累积（100个、1000个和10000个），一个清晰的电导率分布逐渐显现出来。在高轨迹计数下，10–4到10–3 G0之间的直方图峰值形成了一个明确的高斯轮廓（图7d），可以通过最小二乘法拟合从数据中提取出一个统计上有意义的峰值。

在拟合数据时，必须考虑以下几点：
(1) 高斯拟合的基线应受到限制，以便高斯的尾部趋近于零。
(2) 峰值的存在必须明确无误。无论是否叠加高斯拟合（或在一维直方图中叠加椭圆形），它都应可识别。
(3) 峰值应与任何噪声背景电流区分开来，并且不应与仪器噪声底线显著重叠。
(4) 基于干净的金电极测量的任何背景减法往往不准确，因为加入样品后电极结构会发生变化。
(5) 在展示数据时，所有直方图都应包含G0峰值；这个峰值的高度和清晰度反映了数据质量。
(6) 通常的做法是展示一个排除仪器噪声峰值的电导率范围，以避免读者将此特征误认为是分子电导率。尽管从图中裁剪掉了噪声，但它并未从数据本身中减去。

除了1D直方图外，还可以使用二维（2D）电导率-位移直方图来表示数据，其中电导率绘制在y轴上（同样使用每十个数量级100个对数区间），位移绘制在x轴上使用线性区间，复制了单个电导率轨迹的布局。每个轨迹的位移首先在电导率穿过0.31（10–0.5）G0的位置设置为零，然后使用颜色尺度将轨迹分箱到2D图中，以指示所有记录轨迹中数据点的出现频率。这些直方图（如图7e-h所示）可以看作是所有电导率-位移轨迹的叠加图，其中电导率降至1 G0以下的点被设置为零相对位移。这些2D直方图揭示了最可能的结演变路径。与1D直方图类似，最佳做法是在2D直方图中包含G0特征（在负相对位移处）。在比较多个实验的2D直方图时，颜色尺度必须一致并相对于包含的轨迹数量进行归一化。此外，2D直方图中的特征应清晰可见，不需要椭圆形叠加来区分特征和噪声底线。

对大型数据集的统计处理不仅能够得出可重复的平均电导率值和更准确的定量结论，还能够识别可能在较小数据子集中完全缺失的低概率结事件。例如，图7h中由10000个pTDA轨迹构建的2D直方图显示出一个接近10–3 G0的主要电导率平台和一个接近10–5 G0的次要平台。次要特征被认为是由二聚体配置引起的，其中两个三苯基分子通过π-π堆积相互作用形成跨越电极的平行共面二聚体，我们将在第5部分中讨论这一点。这种非共价几何结构导致电子耦合较弱，因此电导率特征较低。与单个pTDA桥相比，二聚体结的形成概率较低，这使得在较少轨迹生成的直方图中难以观察到。

数据分析的一个微妙但关键的方面，也是一个常见的陷阱，是区分真正的分子电导率峰值和污染伪影。尽管应采取预防措施来防止污染（例如，保持电极表面、工具和样品的清洁），但仍然可能产生假峰值。因此，在报告结果之前，使用独立制备的溶液、探针和基底重复测量是必要的。还建议在多种溶剂中表征分子电导率。如果溶剂分子产生电导率伪影，或者溶剂瓶受到污染，数据可能会被错误解释。在多种溶剂中的测量中都观察到清晰峰值则表明该峰值属于分析物分子本身。

在解释结果时，还应实施额外的合理性检查。例如，可以将平台长度与类似长度分子预期的长度进行比较（如连接基团之间的测量）。尽管平台长度不是分子长度的精确度量，但显著差异是不太可能的。这种比较应仅在相同的溶剂、相同的仪器上进行，因为平台长度可能会根据溶剂和压电校准而变化。更广泛地说，电导率值对于给定的分子结构来说应该是物理上合理的。由于该技术的敏感性，在分配峰值之前必须系统地考虑所有潜在的污染源。

5. 基本测量的变体
5.1. 极性溶剂和涂层探针
如第3部分所讨论的，STM-BJ实验通常在非极性、低挥发性溶剂中进行。然而，在某些情况下，极性溶剂是必要的，特别是用于研究在非极性介质中溶解度较差的分子、生物学相关的分子、带有反离子的带电物种，或者涉及氧化还原过程或支持电解质的电化学测量。在这种情况下，可以使用极性低挥发性溶剂，如碳酸丙烯（PC）或二甲基亚酰胺（DMF），需要按照以下描述对探针进行绝缘处理。也可以使用水，要么在流体池中使用，要么在测量过程中加入水滴以补偿蒸发。虽然大多数带电分子由于溶解性限制需要极性溶剂，但在某些情况下，带有反离子的带电分子可以在TCB或溴萘中溶解；在这种情况下，无需修改探针即可进行测量。在极性溶剂中浸泡时，250微米直径的金属丝探针的整个表面积都是电化学活性的。极性溶剂因此会引入增加的法拉第电流和电容电流（如图8a所示），尤其是在高偏压下，导致信噪比降低，可能掩盖分子电导率特征。为了减轻这些效应，需要用绝缘层（如Apiezon蜡）涂覆STM探针，只暴露探针的尖端。这减少了原本会导致背景导电的表面积（图8b）。图8c显示了在PC中测量5000个pTDA轨迹的结果作为对比。比较不同溶剂中的测量时，观察到分子电导率有轻微差异；例如，PC中的测量通常导致平台长度比TCB中的短，可能是由于更大的反弹效应。

在拟合数据时，必须考虑以下几点：
(1) 高斯拟合的基线应受到限制，以便高斯的尾部趋近于零。
(2) 峰值的存在必须明确无误。无论是是否叠加高斯拟合（或一维直方图中的椭圆形），都应能识别出该峰值。
(3) 峰值应与任何噪声背景电流明显区分开来，不应与仪器噪声底线显著重叠。
(4) 基于干净金电极测量的任何背景减法往往不准确，因为一旦加入样品，电极结构就会发生变化。
(5) 在展示数据时，所有直方图都应包含G0峰值；该值的高度和锐度反映了数据质量。
(6) 通常的做法是展示一个排除仪器噪声峰值的电导率范围，以避免读者将此特征误认为是分子电导率。尽管从图中裁剪掉了噪声，但它并未从数据本身中减去。

除了1D直方图外，还可以使用二维（2D）电导率-位移直方图来表示数据，其中电导率绘制在y轴上（再次使用每十个数量级100个对数区间），位移使用线性区间绘制在x轴上，复制了单个电导率轨迹的布局。每个轨迹的位移首先在电导率穿过0.31（10–0.5）G0的位置设置为零，然后使用颜色尺度将轨迹分箱到2D图中，以指示数据点在所有记录轨迹中的出现频率。这些直方图（如图7e-h所示）可以看作是所有电导率-位移轨迹的叠加图，其中电导率降至1 G0以下的点被设置为零相对位移。这些2D直方图揭示了最可能的结演变路径。与1D直方图类似，最佳做法是在2D直方图中包含G0特征（在负相对位移处）。在比较多个实验的2D直方图时，颜色尺度必须一致并相对于包含的轨迹数量进行归一化。此外，2D直方图中的特征应清晰可见，不需要椭圆形叠加来区分特征和噪声底线。

大规模数据的统计处理不仅可以得出可重复的平均电导率值和更准确的定量结论，还可以识别在较小数据子集中可能完全缺失的低概率结事件。例如，图7h中由10000个pTDA轨迹构建的2D直方图显示出一个接近10–3 G0的主要电导率平台和一个接近10–5 G0的次要平台。次要特征已被归因于二聚体配置，其中两个三苯基分子通过π-π堆积相互作用形成平行的、共面的二聚体，桥接电极。这种非共价几何结构导致电子耦合较弱，因此电导率特征较低。与单个pTDA桥相比，二聚体结的形成概率较低，使其在较少轨迹生成的直方图中难以观察到。

数据分析的一个微妙但关键的方面，也是一个常见的陷阱，是区分真正的分子电导率峰值和污染伪影。虽然应采取预防措施防止污染（例如，保持电极表面、工具和样品的清洁），但仍可能产生假峰值。因此，在报告结果之前，使用独立准备的溶液、探针和基底重复测量是必要的。还建议在多种溶剂中表征分子电导率。如果溶剂分子产生电导率伪影，或者溶剂瓶受到污染，数据可能会被一致地误解。在多种溶剂中的测量中都观察到清晰峰值则表明该峰值属于分析物分子本身。

在解释结果时，还应实施额外的合理性检查。例如，可以将平台长度与类似长度的分子预期的长度进行比较（如连接基团之间的测量）。虽然平台长度不是分子长度的精确度量，但剧烈差异是不太可能的。此类比较仅应在相同的溶剂和相同的仪器上进行，因为平台长度会根据溶剂和压电校准而变化。更广泛地说，电导率值对于给定的分子结构来说应该是物理上合理的。由于该技术的敏感性，在分配峰值之前必须系统地考虑所有潜在的污染源。强烈的背景电流可见。b) 在100 mV偏压下，使用Apiezon蜡涂层的金尖端在PC中测量了1000个迹线的2D直方图。c) 在250 mV偏压下，使用涂层的尖端在PC中测量了5000个100 μM pTDA迹线的2D直方图。高分辨率图像下载MS PowerPoint幻灯片

图9展示了我们实验室用于在金尖端上涂蜡的程序。一个烙铁加热元件安装了一个定制加工的铜平台，并通过夹具固定在支撑架上。将少量蜡沉积在平台上并使其熔化。为了便于操作脆弱的尖端，我们将几毫米的金线插入内径为250 μm的注射针中。然后使用锋利的剪线工具切割尖端，并在显微镜下检查尖端的形状。握住针的基部，将金尖端浸入蜡中，并快速向上弹出。在显微镜下，尖端应几乎只显示为一个从蜡中突出的点，如图9e所示。如果金尖端的顶端过于显眼，如图9f所示，说明涂层不足。

图9. 涂蜡尖端的程序。a) 织铁，末端装有铜平台。插图：250 μm金线放置在钝化的注射针中。b) 定制加工的铜板。c) 焦蜡在板上熔化。d) 手动将尖端浸入熔化的蜡中并取出。插图：涂层前的手工切割金尖端形状。e) 在显微镜下看到的涂层良好的尖端，顶端略微可见。f) 涂层不足的尖端，顶端暴露出过多的金。

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涂层的尖端可能会引入一些实验挑战。如果蜡层太厚，尖端与基底之间的接触可能难以建立，或者在尖端与基底分离时蜡“粘附”在基底上，导致难以重复分离。如果蜡层太薄，可能会暴露出过多的金，从而无法缓解与极性溶剂相关的挑战。因此，在引入分析物溶液之前，建议先进行基线金-金测量以确认尖端的可行性。对于使用涂层尖端的实验，可能需要添加一滴溶剂来进行基线测量。

5.2. 测量电流-电压特性

在极性溶剂中使用涂层尖端进行测量可以系统地控制偏压极性，从而允许在正偏压和负偏压下比较分子电导率。这些数据可用于构建电流-电压（I-V）曲线并观察整流现象。在实验过程中，蜡涂层显著减小了尖端电极的暴露表面积。因此，偏压产生的局部电场在尖端更为集中，在基底处则更为分散。当溶剂偶极子根据局部电场重新定向时，尖端的屏蔽效应更为明显。在标准实验中，使用普通尖端和非极性溶剂时（如图10a所示），电场可以认为是均匀的，偏压的反转只是改变了桥接分子所经历的电场方向。相比之下，在具有不对称电极几何形状的极性介质中，偏压极性的反转同时改变了电场方向和电位降的分布，从而改变了分子所经历的电场分布。

图10. a) 示意图，说明极性溶剂和涂层尖端对电场分布的影响。在非极性溶剂中，偏压反转会导致电场的对称反转。涂层尖端将电场集中在尖端顶端，而溶剂偶极子则屏蔽电荷。偏压反转会导致电场的不对称反转。b) 能级图，显示正偏压和负偏压下分子轨道的变化。左侧面板显示了零偏压时LUMO共振与电极费米能级EF的对齐情况。中间面板显示了正偏压下结费米能级相对于轨道的对齐变化，右侧面板显示了负偏压下的相同情况。注意，正偏压（红色）和负偏压（蓝色）下透射曲线下的面积差异很大。

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不对称的电场分布会使分子轨道共振相对于结费米能级发生位移。具体来说，轨道相对于尖端化学势的对齐发生变化，而相对于基底化学势的对齐则保持不变。这种位移在不同偏压极性下方向相反。因此，可以在较低的偏压下探测到轨道共振。因此，在测量过程中切换偏压极性可以改变分子电导率峰值，在某些情况下甚至可以改变主导的导电轨道。重要的是，分子电导率的极性依赖性意味着可以观察到整流现象。这些关系以及一系列在极性溶剂中的整流实验已在Capozzi等人（11）的研究中进行了讨论。存在支持电解质（如四丁基铵六氟磷酸盐TBAPF6）可以增强整流效果，因为它有助于在尖端周围形成更密集的双层结构。图11所示的实验是在含有100 μM pTDA和100 mM TBAPF6的PC溶液中进行的。

图11. 在PC中测量100 μM pTDA和100 mM TBAPF6的I-V特性。a) I-V实验期间的样本迹线。首先增加尖端-基底距离（Δz，绿色），直到形成结，然后在偏压斜坡上保持恒定，再增加距离以断开结。偏压（紫色）首先在G0断开（开始限值）后施加恒定的-0.25 V，然后从0 V斜升至+0.75 V、-0.75 V和0 V，最后再次在-0.25 V下保持恒定（结束限值）。开始和结束限值期间的电流（橙色）用于识别包含分子的迹线。在偏压斜坡的阴影中央区域（从+0.75 V到-0.75 V）的电流用于生成I-V直方图。b) 在-0.25 V偏压下测量的1000个pTDA标准电导率迹线的2D未对齐直方图。大约在电导率平台期开始的位置（2.5 nm）用于设置I-V实验的初始拉扯。c-d) 在PC（c）和TCB（d）中测量的pTDA的I-V直方图。右上角的数字表示根据开始和结束限值的电导率选定的迹线总数。

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为了探测I-V特性，必须进行非标准的电导率测量。在这些实验中，我们不是使用连续的拉扯速度来分离尖端和基底，而是在固定位移后暂停压电运动以保持分子结，并上下扫描偏压。（105）扫描完成后，恢复电极分离并断开结。图11a显示了一个显示尖端-基底相对位移（Δz）、施加的偏压和电流响应的样本迹线。为了实施这一过程，需要考虑几个新的参数和注意事项。首先，为了在分子结完整的情况下暂停压电运动，我们必须确定最有可能形成结的位移。我们首先收集至少500个标准连续拉扯迹线，并构建一个不在G0断开位置对齐的2D直方图。通过分析这个未对齐的直方图，我们可以确定最有可能形成分子结的位移距离。图11b显示了一个这样的直方图，清楚地表明在约2.5 nm的位移处形成了最多的结，因此我们将这个值设为“初始拉扯”距离。即使选择了合适的初始拉扯距离，准确地在形成结的时刻暂停压电运动的成功率通常也只有5%到15%（如果成功率远低于5%，可能需要更换尖端）。与标准电导率实验不同，必须对迹线进行排序，只有那些在电压扫描期间捕获到分子结的迹线才能用于分析。因此，需要收集更多的迹线（至少10000到20000个）以确保有足够的迹线来构建有意义的I-V直方图。为了识别形成结的迹线，我们引入了“开始限值”和“结束限值”参数。在初始拉扯后，压电运动暂停，并在I-V扫描开始前将偏压保持恒定0.025秒（开始限值）。如果此窗口内的平均电导率与该偏压下的预期分子电导率相匹配，则确认存在分子结，该迹线可用于分析。在开始限值期间没有显示分子电导率特征的迹线将被排除在分析之外。如果在I-V扫描期间许多结断裂，可以在迹线结束时使用第二个恒定偏压限值（结束限值）来识别扫描后仍保持完整的结。在结束限值之后，恢复尖端-基底分离，以确保结断开并检测到仪器噪声，然后开始下一个迹线的测量。

根据开始和结束限值中的电导率特征选择迹线后，将它们编译为电流与时间的直方图，以显示从0 V到+0.75 V再到-0.75 V的整个偏压扫描段。这些直方图可以显示结对偏压的响应情况。为了制作I-V直方图，将从+0.75 V扫描到-0.75 V的迹线段中的电流与测量的结偏压进行绘图，并作为二维叠加图收集。然后对I-V 2D直方图的每个垂直切片进行高斯拟合，以确定每个电压下的平均电流（图11c-d中的黑色曲线），这些值可用于计算电流整流比。图11c中，在PC中进行的测量得到的2D I-V直方图显示，在±0.70 V偏压下的整流比约为2.2。相比之下，图11d显示了在TCB中进行的类似2D I-V直方图，在该介质中电场分布不会因偏压反转而改变，因此没有观察到整流现象。

5.3. 闪烁噪声测量

STM-BJ测量在室温下进行，这使得每个电极顶端的金原子容易在亚稳态配置之间发生热激活的重排。这些金原子位置的波动会影响金-分子界面和分子-电极耦合的性质，可以通过测量闪烁噪声（1/f噪声）来探测，Adak和Magyarkuti等人（101,106）对此有详细说明。在这里，我们概述了闪烁噪声测量和数据分析的基本过程，并重现了以往出版物中的数据。与I-V测量类似，闪烁噪声测量也需要修改尖端-基底位移和施加的偏压分布。在结形成时暂停压电运动，并在记录电导率的同时保持偏压恒定。默认的采集速率40 kHz可以增加到100 kHz，以提高保持段内的数据分辨率，并确保测量的电导率频率依赖性遵循1/f依赖性。如I-V测量部分所述，必须在测量前确定最佳的初始拉扯距离，以提高形成结的可能性。通过确定保持段期间的平均电导率并确保其位于1D直方图的分子电导率峰值范围内，可以识别出具有分子特征的结。

在收集数据并选择包含结的迹线后，对每个电导率迹线的恒定偏压保持段进行离散傅里叶变换，并对结果进行平方处理，以确定电导率噪声功率谱密度（PSD）。图12a显示了一个pTDA闪烁噪声测量的样本迹线。相应的功率谱密度（PSD）显示在图12b中，可以清楚地看到1/f依赖性，这是闪烁噪声的典型特征。在通过键耦合的结中，这种关系纯粹是由金原子重新排列引起的，与桥接分子的结构无关。如果没有显示出这种1/f依赖性，就不能得出闪烁噪声是观察到的电导波动的来源的结论。此外，样品的PSD轨迹还清楚地显示了每次实验中可以分析的频率范围。因此，不包括样品PSD轨迹的已发表数据是不完整的。

图12. 闪烁噪声数据部分来源于Magyarkuti等人（101）：a) 样品闪烁噪声测量轨迹，包括在100 mV恒定偏压下的保持段，用于在TCB中测量的pTDA。在结保持在高亮区域内时，暂停了尖端-基底位移Δz。插图：用于识别捕获高（红色，单分子）或低（蓝色，π堆叠二聚体）导电结的导电性直方图。b) 红色轨迹显示了面板(a)中所示轨迹的导电噪声PSD频率依赖性，观察到了明显的1/f特征。黑色轨迹显示了1000条轨迹的平均PSD，在1000 Hz以上由于一些仪器噪声而出现一个峰值。c) 所有测量轨迹的标准化噪声功率（在100到1000 Hz之间计算）与导电性的关系以二维图的形式展示。高导电性结具有更圆的特征，而低导电性结在噪声功率上表现出较强的依赖性。d) 皮尔逊相关系数与标度指数之间的关系显示，高导电性结的相关系数为x = 1.16，而低导电性结的相关系数为x = 1.78。经英国皇家化学学会许可复制。版权所有2018年英国皇家化学学会。

通过在整个100–1000 Hz范围内对PSD进行积分，可以计算每个轨迹的闪烁噪声功率；这个范围是针对我们的仪器特别选择的。在1 kHz以上，电子设备的噪声占主导地位（如图12b中的黑色轨迹所示），这可能导致PSD下降；而在100 Hz以下，机械振动和交流电噪声也会贡献到测量的噪声中。每个小组应根据所使用的电子设备以及通常存在的环境噪声来确定他们实验的最佳范围。例如，如果存在700 Hz的声学噪声，则积分范围应排除这一区域。收集数千条轨迹后，通过将积分噪声功率除以保持期间的平均导电性（PSD/G）和平均导电性（G）来计算每个轨迹的值，然后将其编译成二维直方图以观察标度关系。图12c显示了pTDA的一个示例二维直方图，其中可以看到两个特征：一个在高导电性范围内更接近圆形，这是单分子结的典型特征；另一个在低导电性范围内更接近椭圆形，表明PSD/G与导电性有很强的依赖性。通过对多个分子的测量发现，PSD/G与Gx成比例，其中x的值取决于分子-电极相互作用的性质。通过键耦合导致噪声功率与G1成比例，而通过空间耦合则导致噪声功率与G2成比例。还观察到每个分子只与金电极一侧结合的π堆叠二聚体也显示出大约为2的标度指数。（101）可以通过计算PSD/Gx与G之间的皮尔逊相关系数来确定噪声功率与导电性之间的关系，然后确定x值，使得这两个变量不相关（相关系数为零）。（101）例如，图12d显示了图12c中两个导电区域对应的皮尔逊相关系数与指数x的关系。高导电区域的比例关系为G1.16，接近线性关系；低导电区域的比例关系为G1.78，接近平方关系。这表明低导电性特征不是由于通过键耦合的结，而可能是由于单分子结断裂后形成的π堆叠二聚体。

5.4. 推拉实验

除了上述实验外，还可以设计许多其他针对尖端-基底位移轮廓和施加偏压调制的定制实验来探索各种结现象。（107,108）Camarasa-Gomez等人（109）报道的一个利用非标准尖端-基底位移轮廓的实验示例是“推拉”实验。该出版物中的数据已在图13中复制。在这个实验中，通过调节压电片来机械压缩和扩展分子结。在这种调制下，图13a中所示的含有铁烯衍生物的结通过旋转环戊二烯基环围绕中心铁原子而被反复拉伸和压缩，从而改变了结内的分子构型。结果，结的导电性根据尖端-基底距离在两个值之间切换。在每个位移距离的第一个保持段分析了导电性值，发现压缩段的导电性比拉伸段增加了6.7倍。

图13. a) 上图：在450 mV偏压下收集的10000个导电性轨迹的一维直方图。下图：在两个不同尖端-基底位移距离下测量的导电性值的标准化一维直方图，红色曲线代表拉伸的结距离，蓝色曲线代表压缩的结距离。b) 上图：用于测量的尖端-基底位移轮廓。距离在相隔0.24 nm的两个值之间振荡。下图：根据位移距离显示导电性振荡的二维直方图。插图：当结在两种配置之间振荡时观察到的分子旋转。经美国化学学会许可复制。版权所有2020年美国化学学会。

推拉测量示例了STM-BJ技术的多功能性，因为它们可以探测分子导电性和化学结构对结的受控机械变化的响应，而不仅仅是探测对施加偏压变化的响应。除了这些实验之外，还可以创造性地结合自定义的位移轮廓、保持时间、斜坡和偏压调制，以设计针对特定化学和物理问题的测量方案。

6. 结论

在本教程中，我们提供了关于仪器开发、实验、数据解释和直方图分析的实际、逐步指导，以及对标准实验的可能变体。我们强调了诸如尖端制备、噪声减少和自动化参数等实践考虑因素，以支持新进入该领域的研究人员和学生，并促进不同实验室之间的可重复性。可以在STM-BJ设置中添加额外的仪器来测量许多其他特性，例如键断裂力（39）、热电势（110?112）、电化学现象（61?63）、辐照结（114?117）和电致发光（71?73）等。我们相信，随着单分子电子学领域的发展，这项工作将作为STM-BJ实验的入门指南和参考点。

STM-BJ技术已成为探测单分子中电荷传输的重要方法。要获得可重复、有意义的结果，需要仔细关注仪器的稳定性、接地和潜在的污染源。充分理解导电性-位移轨迹中观察到的特征和伪影是必不可少的，因为错误识别导电性峰值、杂质和噪声信号可能导致误导性的结论。本教程不仅旨在提高数据质量，还鼓励对不断发展的STM-BJ文献中的已发表工作进行批判性评估。