Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Development of a Digital Measurement System for Inelastic Tunneling Spectroscopy of Single Molecular Junctions
KTH, School of Information and Communication Technology (ICT).
2015 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The miniaturization of the silicon-based transistor is drawing ever closer to the physical limits set by quantum tunneling. In molecular electronics, quantum tunneling is the working principle of single molecular devices. Molecular electronics is thus one of the possible solutions for moving beyond the limits of the current technology. In order to realize single molecular electronics in devices, a complete understanding of the characteristics of a molecular junction is necessary. A challenge in the eld of molecular electronics is to determine if a target single molecule is measured as expected. To con rm the existence of a molecule in a junction, inelastic electron tunneling spectroscopy (IETS) is useful since it can resolve molecular vibrations. The activated vibrational modes by electron-phonon coupling open new conduction channels in the junction and thus change the charge transport characteristics. IETS can thus provide fruitful insight in the characteristics of single molecular junctions. This research has focused on developing and applying a fully digital low-noise method for measuring IETS in a mechanically controllable break junction. The measurement system was developed using LabVIEW to realize a digital lock-in ampli er for IETS measurement. Running the signal through solid-state circuits adds pink noise (1=f), impacting the signal-to-noise ratio. Hence, the constructed system has an inherent advantage to conventional methods using commercially available lock-in ampli ers since there is no need to connect an external adder circuit. Taking advantage of the freedom of signal design, a carrier wave (CW) sweep type was developed. Using the CW sweep type allows for an order of magnitude higher IV curve resolution during the IETS measurement. A fully automated IETS measurement setup was developed with sophisticated automatic ampli er gain and automatic control of the break junction process. The automated system allows for probing IETS in di erent single molecular conformations and also for investigating the e ect of stretching a molecule. Several molecules were investigated, with focus on an oligothiophene molecule (5T). The developed measurement system can e ectively measure IETS in single molecular junctions at a low noise level. During stretching of the 5T molecule, a Au-S peak blue shift was observed indicating stretching of the bond. New vibrational modes were also observed near molecular detachment due to stretching, indicating charge transfer through the entire molecule.

Abstract [sv]

Förminskningen av kiselbaserade transistorer närmar sig fysiska begränsningar på grund

av kvantmekanisk tunnling. Inom molekylärelektronik är tunnling den möjliggörande

principen för singelmolekylövergångar. Molekylärelektronik är således en av de möjliga

lösningarna för att överkomma begränsningarna för den nuvarande teknologiska utvecklingen.

För att tillverka singelmolekylövergångsenheter är en djupare förståelse av

molekylövergångars egenskaper nödvändig.

En utmaning i molekylärelektroniken är att bestämma om en specifik singelmolekyl-

övergång är mätt som förväntat. För att bestämma om en molekyl finns i en övergång

är inelastic electron tunneling spectroscopy (IETS) användbart eftersom man analyserar

molekylära vibrationer. Aktiverade vibrationer genom elektron-fononkoppling öppnar

nya konduktionskanaler i övergången och kan således ändra laddningstransportskarakteristiken.

IETS kan således ge användbar insikt i singelmolekylövergångars egenskaper.

Detta arbete är fokuserat på att utveckla och tillämpa en digital låg-brus metod för

mätning av singelmolekylövergångar i en mechanically controllable break junction. En

digital lock-in amplifier för mätning av IETS är utvecklad i programmeringsspråket

LabVIEW. Om man leder en signal genom elektroniska kretsar adderas skärt brus (1=f)

till signalen vilket påverkar signal-brusförhållandet. Därmed har systemet utvecklat i

detta arbete en fördel jämfört med konventionella metoder som använder kommersiellt

tillgängliga lock-in amplifiers eftersom det inte finns behov för att koppla in en extern

adderare. En bärvågsmetod för IETS är även utvecklad i detta arbete. Användande av

bärvågsmetoden tillåter en storleksordning högre upplösning i ström-spännings mätning

under IETS jämfört med konventionella metoder.

En helautomatisk mätningsstation för IETS utveklades med sofistikerad automatisk

förstärkning och automatisk kontroll av mechanically controllable break junction enheten.

Det automatiserade systemet möjliggör IETS för olika elektrod-molekyl konformationer

och undersökning av sträckning av molekyler. Ett ertal molekyler undersöktes

med fokus på en oligotiofenmolekyl (5T).

Det utvecklade mätningssystemet kan efiektivt mäta IETS i singel-molekylövergångar

vid låg brusnivå. Under sträckning av 5T molekylen observerades en blåförskjutning

av Au-S vibrationen, vilket indikerar sträckning av bindningen. Nya vibrationer uppstod

även vid sträckning av molekylen vilket indikerar laddningstransport genom hela

molekylen.

Place, publisher, year, edition, pages
2015.
Series
TRITA-ICT-EX, 2015:41
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-174980OAI: oai:DiVA.org:kth-174980DiVA: diva2:859929
Examiners
Available from: 2015-10-09 Created: 2015-10-09 Last updated: 2016-12-21Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(6853 kB)43 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 6853 kBChecksum SHA-512
40e6cf6d41054150ba1e70be8ea930cb74ad3af1001b47359ee591643dd0331a4018e7fa3db138179cfe26c1c4e4aa6fa0d3d2941a47980a3551a53b8dd56446
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Information and Communication Technology (ICT)

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 43 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 126 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf