분자접합(molecular junction)은 나노 스케일에서 광범위한 전하수송 현상이 가능한 나노전자소자의 빌딩블록이다. 나노 및 메조스코픽(mesoscopic) 스케일에서의 플라즈모닉(plasmonic) 현상은 회절 한계보다 낮은 차원으로 빛을 제한하는 기능으로 인하여 거시적(mascroscopic) 포토닉스와 나노전자공학의 교차점에 있다. 분자접합에서의 플라즈몬 현상에 대한 연구는 2010년경에 시작되었으며 제조방법의 한계로 인해 그동안 접근하기 어려웠던 양자영역에서 플라즈몬 여기 및 커플링 현상 연구가 가능해졌다. 플라즈모닉스는 독특한 나노-초점 특성을 가진 분자접합을 통해 전하수송을 조작하는 방법을 제공하며 다른 한편으로 분자접합은 플라즈몬 특성에 영향을 주어 새로운 응용을 유발할 수 있다. 본 리뷰 논문은 분자접합에서 플라즈몬 공명 현상에 대한 주요 연구 결과들을 소개하고 플라즈몬 여기(excitation) 및 플라즈몬 커플링(coupling) 현상을 상세하게 설명하였다. 특히 양자효과가 작용하는 분자 스케일에서 다양한 유형의 빛-물질 상호작용의 메커니즘을 이해하는 연구결과들에 대해 소개하고 또한 센서, 광촉매, 분자 스위칭의 제어를 포함한 다양한 플라즈몬-분자접합 시스템의 응용에 대해 설명하였다. 이 리뷰 논문은 중국, 독일, 네덜란드 연구자들과 국제공동연구 형태로 작성되었다.

Molecular junctions are building blocks for constructing future nanoelectronic devices that enable the investigation of a broad range of electronic transport properties within nanoscale regions. Crossing both the nanoscopic and mesoscopic length scales, plasmonics lies at the intersection of the macroscopic photonics and nanoelectronics, owing to their capability of confining light to dimensions far below the diffraction limit. Research activities on plasmonic phenomena in molecular electronics started around 2010, and feedback between plasmons and molecular junctions has increased over the past years. These efforts can provide new insights into the near-field interaction and the corresponding tunability in properties, as well as resultant plasmon-based molecular devices. This Review presents the latest advancements of plasmonic resonances in molecular junctions and details the progress in plasmon excitation and plasmon coupling. We also highlight emerging experimental approaches to unravel the mechanisms behind the various types of light–matter interactions at molecular length scales, where quantum effects come into play. Finally, we discuss the potential of these plasmonic–electronic hybrid systems across various future applications, including sensing, photocatalysis, molecular trapping and active control of molecular switches.

Authors: Maoning Wang, Tao Wang, Oluwafemi S. Ojambati, Thorin Jake Duffin, Keehoon Kang, Takhee Lee*, Elke Scheer*, Dong Xiang* and Christian A. Nijhuis* (*co-corresponding authors)

DOI: https://doi.org/10.1038/s41570-022-00423-4

Published online: 20 September 2022

Link: https://www.nature.com/articles/s41570-022-00423-4