Here, we propose a robust lab-on-a-chip system for multi-dimensional (electrical, optical, and mechanical) characterization of a single-molecule utilizing a Si micromachined micro-electromechanical-system (MEMS) chip. Our MEMS-based break junction (MEMS-BJ) utilizes conventional MEMS chip fabrication techniques to create an electrostatic comb actuator capable of trapping a single-molecule between two nanoscale metal electrodes with sub-nanometer displacement resolution. In order to achieve this functionality, components of the chip (e.g flexural spring, comb drive fingers) are delicately designed based on an analytical model and basic performance parameters are verified using a finite element analysis simulation and capacitive sensor measurements. Using this system, we are able to perform combined single-molecule Raman spectroscopy and molecular conductance measurements in real-time. Finally, we present a representative case study of the multi-dimensional characterization of a single-molecule junction by analyzing correlated electrical, optical, and mechanical information while mechanically modulating the strain on the junction which allows for direct observation of the interplay between molecular structure and electron transport. We believe that our MEMS-BJ system will enable a deeper multi-dimensional study at a single-molecule level promoting the development of new methods for chemical and biological sensor applications. [2020-0307]

中文翻译：

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用于单分子机械应变相关光学表征的基于 MEMS 的断裂结装置的设计和制造

在这里，我们提出了一个强大的芯片实验室系统，用于利用 Si 微机械微机电系统 (MEMS) 芯片对单分子进行多维（电气、光学和机械）表征。我们基于 MEMS 的断裂结 (MEMS-BJ) 利用传统的 MEMS 芯片制造技术来创建静电梳状致动器，该致动器能够以亚纳米位移分辨率在两个纳米级金属电极之间捕获单分子。为了实现这一功能，基于分析模型精心设计了芯片组件（例如弯曲弹簧、梳状驱动指），并使用有限元分析模拟和电容传感器测量来验证基本性能参数。使用这个系统，我们能够实时执行组合单分子拉曼光谱和分子电导测量。最后，我们通过分析相关的电学、光学和机械信息，同时机械调制结上的应变，从而直接观察分子结构和分子结构之间的相互作用，提出了单分子结的多维表征的代表性案例研究。电子传输。我们相信，我们的 MEMS-BJ 系统将能够在单分子水平上进行更深入的多维研究，从而促进化学和生物传感器应用新方法的开发。[2020-0307] 我们通过分析相关的电学、光学和机械信息，同时机械调制结上的应变，从而直接观察分子结构和电子传输之间的相互作用，呈现了单分子结的多维表征的代表性案例研究. 我们相信，我们的 MEMS-BJ 系统将能够在单分子水平上进行更深入的多维研究，从而促进化学和生物传感器应用新方法的开发。[2020-0307] 我们通过分析相关的电学、光学和机械信息，同时机械调制结上的应变，从而直接观察分子结构和电子传输之间的相互作用，呈现了单分子结的多维表征的代表性案例研究. 我们相信，我们的 MEMS-BJ 系统将能够在单分子水平上进行更深入的多维研究，从而促进化学和生物传感器应用新方法的开发。[2020-0307] 我们相信，我们的 MEMS-BJ 系统将能够在单分子水平上进行更深入的多维研究，从而促进化学和生物传感器应用新方法的开发。[2020-0307] 我们相信，我们的 MEMS-BJ 系统将能够在单分子水平上进行更深入的多维研究，促进化学和生物传感器应用新方法的开发。[2020-0307]