In this review, we present a brief overview on the recent advances in Ångström-resolved tip-enhanced Raman spectromicroscopy. We first introduce the theoretical understanding of the confinement of light at the atomistic scale, and explain how the Raman scattering from a single molecule happens under the “illumination” of such an atomically confined light. Then we describe the latest developments on Ångström-resolved tip-enhanced Raman spectromicroscopy, particularly on a new methodology called “scanning Raman picoscopy” for visually constructing the chemical structure of a single molecule in real space. Finally, we give a perspective of this technique in various applications where identifying the chemical structures of materials at the chemical bond level is required.
References
[1]
N.
Hayazawa
, Y.
Inouye
, Z.
Sekkat
, and S.
Kawata
, Opt. Commun.
183
, 333
(2000
).[2]
R. M.
Stöckle
, Y. D.
Suh
, V.
Deckert
, and R.
Zenobi
, Chem. Phys. Lett.
318
, 131
(2000
).[3]
M. S.
Anderson
, Appl. Phys. Lett.
76
, 3130
(2000
).[4]
B.
Pettinger
, G.
Picardi
, R.
Schuster
, and G.
Ertl
, Electrochemistry
68
, 942
(2000
).[5]
A.
Hartschuh
, E. J.
Sánchez
, X. S.
Xie
, and L.
Novotny
, Phys. Rev. Lett.
90
, 95503
(2003
).[6]
C. C.
Neacsu
, J.
Dreyer
, N.
Behr
, and M. B.
Raschke
, Phys. Rev. B
73
, 193406
(2006
).[7]
W.
Zhang
, B. S.
Yeo
, T.
Schmid
, and R.
Zenobi
, J. Phys. Chem. C
111
, 1733
(2007
).[8]
J.
Steidtner
and B.
Pettinger
, Phys. Rev. Lett.
100
, 236101
(2008
).[9]
T.
Yano
, P.
Verma
, Y.
Saito
, and T.
Ichimura
, and S.
Kawata
, Nat. Photonics.
3
, 473
(2009
).[10]
B.
Pettinger
, P.
Schambach
, C. J.
Villagómez
, and N.
Scott
, Annu. Rev. Phys. Chem.
63
, 379
(2012
).[11]
M. D.
Sonntag
, J. M.
Klingsporn
, L. K.
Garibay
, J.
Roberts
, J.
Dieringer
, T.
Seideman
, K. A.
Scheidt
, L.
Jensen
, G. C.
Schatz
, and R. P.
Van Duyne
, J. Phys. Chem. C
116
, 478
(2012
).[12]
R.
Zhang
, Y.
Zhang
, Z. C.
Dong
, S.
Jiang
, C.
Zhang
, L. G.
Chen
, L.
Zhang
, Y.
Liao
, J.
Aizpurua
, Y.
Luo
, J. L.
Yang
, and J. G.
Hou
, Nature
498
, 82
(2013
).[13]
S.
Jiang
, Y.
Zhang
, R.
Zhang
, C. R.
Hu
, M. H.
Liao
, Y.
Luo
, J. L.
Yang
, Z. C.
Dong
, and J. G.
Hou
, Nat. Nanotechnol
10
, 865
(2015
).[14]
N.
Chiang
, X.
Chen
, G.
Goubert
, D. V
Chulhai
, X.
Chen
, E. A.
Pozzi
, N.
Jiang
, M. C.
Hersam
, T.
Seideman
, L.
Jensen
, and R. P.
Van Duyne
, Nano Lett.
16
, 7774
(2016
).[15]
R.
Zhang
, X. B.
Zhang
, H. F.
Wang
, Y.
Zhang
, S.
Jiang
, C. R.
Hu
, Y.
Zhang
, Y.
Luo
, and Z. C.
Dong
, Angew. Chem. Int. Ed.
56
, 5561
(2017
).[16]
S.
Jiang
, X. B.
Zhang
, Y.
Zhang
, C. R.
Hu
, R.
Zhang
, Y.
Zhang
, Y.
Liao
, Z. J.
Smith
, Z. C.
Dong
, and J. G.
Hou
, Light Sci. Appl.
6
, e17098
(2017
).[17]
M.
Richard-Lacroix
, Y.
Zhang
, Z. C.
Dong
, and V.
Deckert
, Chem. Soc. Rev.
46
, 3922
(2017
).[18]
X.
Wang
, S. C.
Huang
, S.
Hu
, S.
Yan
, and B.
Ren
, Nat. Rev. Phys.
2
, 253
(2020
).[19]
S.
Mahapatra
, L.
Li
, J. F.
Schultz
, and N.
Jiang
, J. Chem. Phys.
153
10902
(2020
).[20]
P.
Alonso-González
, P.
Albella
, M.
Schnell
, J.
Chen
, F.
Huth
, A.
García-Etxarri
, F.
Casanova
, F.
Golmar
, L.
Arzubiaga
, L. E.
Hueso
, J.
Aizpurua
, and R.
Hillenbrand
, Nat. Commun.
3
, 684
(2012
).[21]
M.
Barbry
, P.
Koval
, F.
Marchesin
, R.
Esteban
, A. G.
Borisov
, J.
Aizpurua
, and D.
Sánchez-Portal
, Nano Lett.
15
, 3410
(2015
).[22]
F.
Benz
, M. K.
Schmidt
, A.
Dreismann
, R.
Chikkaraddy
, Y.
Zhang
, A.
Demetriadou
, C.
Carnegie
, H.
Ohadi
, B.
de Nijs
, R.
Esteban
, J.
Aizpurua
, and J. J.
Baumberg
, Science
354
, 726
(2016
).[23]
J.
Lee
, K. T.
Crampton
, N.
Tallarida
, and V. A.
Apkarian
, Nature
568
, 78
(2019
).[24]
Y.
Zhang
, B.
Yang
, A.
Ghafoor
, Y.
Zhang
, Y. F.
Zhang
, R. P.
Wang
, J. L.
Yang
, Y.
Luo
, Z. C.
Dong
, and J. G.
Hou
, Natl. Sci. Rev.
6
, 1169
(2019
).[25]
S.
Duan
, G. J.
Tian
, Y. F.
Ji
, J.
Shao
, Z. C.
Dong
, and Y.
Luo
, J. Am. Chem. Soc.
137
, 9515
(2015
).[26]
P.
Liu
, D. V
Chulhai
, and L.
Jensen
, ACS Nano.
11
, 5094
(2017
).[27]
H.
Günthe
, NMR Spectroscopy Basic Principles, Concepts and Applications in Chemistry
, New York
: John Wiley & Sons
, (2013
).[28]
A. I.
Scott
, Interpretation of Ultraviolet Spectra of Natural Products
, Amsterdam
: Elsevier
, (2013
).[29]
J. R.
Lakowicz
, Principles of Fluorescence Spectroscopy
, LLC, New York
: Springer Science&Business Media
, (2006
).[30]
H. J.
Butler
, L.
Ashton
, B.
Bird
, G.
Cinque
, K.
Curtis
, J.
Dorney
, K.
Esmonde-White
, N. J.
Fullwood
, B.
Gardner
, P. L.
Martin-Hirsch
, M. J.
Walsh
, M. R.
McAinsh
, N.
Stone
, and F. L.
Martin
, Nat. Protoc.
11
, 664
(2016
).[31]
L.
Gross
, F.
Mohn
, N.
Moll
, P.
Liljeroth
, and G.
Meyer
, Science
325
, 1110
(2009
).[32]
F. J.
Giessibl
, Science
267
, 68
(1995
).[33]
C.
Chiang
, C.
Xu
, Z.
Han
, and W.
Ho
, Science
344
, 885
(2014
).[34]
J. G.
Hou
, J. L.
Yang
, H. Q.
Wang
, Q. X.
Li
, C. G.
Zeng
, L. F.
Yuan
, B.
Wang
, D. M.
Chen
, and Q. S.
Zhu
, Nature
409
, 304
(2001
).[35]
Y.
Kim
, T.
Komeda
, and M.
Kawai
, Phys. Rev. Lett.
89
, 126104
(2002
).[36]
B. C.
Stipe
, M. A.
Rezaei
, and W.
Ho
, Science
280
, 1732
(1998
).[37]
J.
Kern
, S.
Großmann
, N. V.
Tarakina
, T.
Häckel
, M.
Emmerling
, M.
Kamp
, J. S.
Huang
, P.
Biagioni
, J. C.
Prangsma
, and B.
Hecht
, Nano Lett.
12
, 5504
(2012
).[38]
M.
Rahaman
, A. G.
Milekhin
, A.
Mukherjee
, E. E.
Rodyakina
, A. V
Latyshev
, V. M.
Dzhagan
, and D. R. T.
Zahn
, Faraday Discuss.
214
, 309
(2019
).[39]
M.
Micic
, N.
Klymyshyn
, Y. D.
Suh
, and H. P.
Lu
, J. Phys. Chem. B
107
, 1574
(2003
).[40]
M.
Yang
, M. S.
Mattei
, C. R.
Cherqui
, X.
Chen
, R. P.
Van Duyne
, and G. C.
Schatz
, Nano Lett.
19
, 7309
(2019
).[41]
C.
Huber
, A.
Trügler
, U.
Hohenester
, Y.
Prior
, and W.
Kautek
, Phys. Chem. Chem. Phys.
16
, 2289
(2014
).[42]
J.
Aizpurua
, S. P.
Apell
, and R.
Berndt
, Phys. Rev. B
62
, 2065
(2000
).[43]
Z. L.
Yang
, Q. H.
Li
, F. X.
Ruan
, Z. P.
Li
, B.
Ren
, H. X.
Xu
, and Z. Q.
Tian
, Chin. Sci. Bull.
55
, 2635
(2010
).[44]
F. J.
de Abajo
and J.
Aizpurua
, Phys. Rev. B
56
, 15873
(1997
).[45]
C.
Oubre
and P.
Nordlander
, J. Phys. Chem. B
108
, 17740
(2004
).[46]
B.
Willingham
, D. W.
Brandl
, and P.
Nordlander
, Appl. Phys. B
93
, 209
(2008
).[47]
M. Z.
Herrera
, A. K.
Kazansky
, J.
Aizpurua
, and A. G.
Borisov
, Phys. Rev. B
95
, 245413
(2017
).[48]
E.
Selenius
, S.
Malola
, and H.
Häkkinen
, J. Phys. Chem. C
121
, 27036
(2017
).[49]
A.
Varas
, P.
García-González
, J.
Feist
, F. J.
García-Vidal
, and A.
Rubio
, Nanophotonics
5
, 409
(2016
).[50]
J.
Zuloaga
, E.
Prodan
, and P.
Nordlander
, Nano Lett.
9
, 887
(2009
).[51]
D. C.
Marinica
, A. K.
Kazansky
, P.
Nordlander
, J.
Aizpurua
, and A. G.
Borisov
, Nano Lett.
12
, 1333
(2012
).[52]
L.
Jensen
, C. M.
Aikens
, and G. C.
Schatz
, Chem. Soc. Rev.
37
, 1061
(2008
).[53]
X.
Chen
, J. E.
Moore
, M.
Zekarias
, and L.
Jensen
, Nat. Commun.
6
, 8921
(2015
).[54]
L. L.
Jensen
and L.
Jensen
, J. Phys. Chem. C
113
, 15182
(2009
).[55]
X.
Chen
, P.
Liu
, Z.
Hu
, and L.
Jensen
, Nat. Commun.
10
, 2567
(2019
).[56]
K. T.
Crampton
, J.
Lee
, and V. A.
Apkarian
, ACS Nano
13
, 6363
(2019
).[57]
B.
Yang
, G.
Chen
, A.
Ghafoor
, Y. F.
Zhang
, Y.
Zhang
, Y.
Zhang
, Y.
Luo
, J. L.
Yang
, V.
Sandoghdar
, J.
Aizpurua
, Z. C.
Dong
, and J. G.
Hou
, Nat. Photonics.
14
, 693
(2020
).[58]
S.
Trautmann
, J.
Aizpurua
, I.
Götz
, A.
Undisz
, J.
Dellith
, H.
Schneidewind
, M.
Rettenmayr
, and V.
Deckert
, Nanoscale
9
, 391
(2017
).[59]
M. M.
Mariscal
, O. A.
Oviedo
, and E. P. M.
Leiva
, Metal Clusters and Nanoalloys: From Modeling to Applications
, (2013
).[60]
M.
Urbieta
, M.
Barbry
, Y.
Zhang
, P.
Koval
, D.
Sánchez-Portal
, N.
Zabala
, and J.
Aizpurua
, ACS Nano
12
, 585
(2018
).[61]
Y.
Zhang
, Z. C.
Dong
, and J.
Aizpurua
, J. Raman Spectrosc.
(2020
).[62]
S.
Duan
, G. J.
Tian
, and Y.
Luo
, J. Chem. Theory Comput.
12
, 4986
(2016
).[63]
R. B.
Jaculbia
, H.
Imada
, K.
Miwa
, T.
Iwasa
, M.
Takenaka
, B.
Yang
, E.
Kazuma
, N.
Hayazawa
, T.
Taketsugu
, and Y.
Kim
, Nat. Nanotechnol.
15
, 105
(2020
).[64]
N.
Chiang
, X.
Chen
, G.
Goubert
, D. V.
Chulhai
, X.
Chen
, E. A.
Pozzi
, N.
Jiang
, M. C.
Hersam
, T.
Seideman
, L.
Jensen
, and R. P.
Van Duyne
, Nano Lett.
16
, 7774
(2016
).[65]
R.
Zhang
, X. B.
Zhang
, H. F.
Wang
, Y.
Zhang
, S.
Jiang
, C. R.
Hu
, Y.
Zhang
, Y.
Luo
, and Z. C.
Dong
, Angew. Chem. Int. Ed.
56
, 5561
(2017
).[66]
J. F.
Schultz
, B.
Yang
, and N.
Jiang
, Nanoscale
12
, 2726
(2020
).[67]
C.
Chen
, N.
Hayazawa
, and S.
Kawata
, Nat. Commun.
5
, 3312
(2014
).[68]
M. H.
Liao
, S.
Jiang
, C. R.
Hu
, R.
Zhang
, Y. M.
Kuang
, J. Z.
Zhu
, Y.
Zhang
, and Z. C.
Dong
, Nano Lett.
16
, 4040
(2016
).[69]
R.
Treffer
, X.
Lin
, E.
Bailo
, T.
Deckert-Gaudig
, and V.
Deckert
, Beilstein J. Nanotechnol.
2
, 628
(2011
).[70]
Z.
He
, Z.
Han
, M.
Kizer
, R. J.
Linhardt
, X.
Wang
, A. M.
Sinyukov
, J.
Wang
, V.
Deckert
, A. V.
Sokolov
, J.
Hu
, and M. O.
Scully
, J. Am. Chem. Soc.
141
, 753
(2019
).[71]
Z.
He
, W.
Qiu
, M. E.
Kizer
, J.
Wang
, W.
Chen
, A. V.
Sokolov
, X.
Wang
, J.
Hu
, and M. O.
Scully
, ACS Photonics.
8
, 424
(2021
).[72]
H. S.
Su
, X. G.
Zhang
, J. J.
Sun
, X.
Jin
, D. Y.
Wu
, X. B.
Lian
, J. H.
Zhong
, and B.
Ren
, Angew. Chem. Int. Ed.
57
, 13177
(2018
).[73]
J. H.
Zhong
, X.
Jin
, L.
Meng
, X.
Wang
, H. S.
Su
, Z. L.
Yang
, C. T.
Williams
, and B.
Ren
, Nat. Nanotechnol.
12
, 132
(2017
).[74]
S.
Sheng
, J.
Wu
, X.
Cong
, W.
Li
, J.
Gou
, Q.
Zhong
, P.
Cheng
, P.
Tan
, L.
Chen
, and K.
Wu
, Phys. Rev. Lett.
119
, 196803
(2017
).[75]
T. X.
Huang
, X.
Cong
, S. S.
Wu
, K. Q.
Lin
, X.
Yao
, Y. H.
He
, J. B.
Wu
, Y. F.
Bao
, S. C.
Huang
, X.
Wang
, P. H.
Tan
, and B.
Ren
, Nat. Commun.
10
, 5544
(2019
).[76]
C.
Zhang
, B. Q.
Chen
, and Z. Y.
Li
, J. Phys. Chem. C
119
, 11858
(2015
).[77]
L.
Meng
, Z.
Yang
, J.
Chen
, and M.
Sun
, Sci. Rep.
5
, 9240
(2015
).[78]
F.
Latorre
, S.
Kupfer
, T.
Bocklitz
, D.
Kinzel
, and V.
Deckert
, Nanoscale
8
, 10229
(2016
).[79]
M. K.
Schmidt
, R.
Esteban
, A.
González-Tudela
, G.
Giedke
, and J.
Aizpurua
, ACS Nano
10
, 6291
(2016
).[80]
Y.
Zhang
, Y.
Zhang
, Z. C.
Dong
, and J. G.
Hou
, Chemical Identification by Sub-Nanometer Resolved Single-Molecule Raman Scattering
, in: Recent Dev. Plasmon-Supported Raman Spectrosc.
, World Scientific
, 361
(2017
).[81]
A.
Ghafoor
, B.
Yang
, Y. J.
Yu
, Y. F.
Zhang
, X. B.
Zhang
, G.
Chen
, Y.
Zhang
, Y.
Zhang
, and Z. C.
Dong
, Chin. J. Chem. Phys.
32
, 287
(2019
).[82]
H.
Li
, Y. F.
Zhang
, X. B.
Zhang
, A.
Farrukh
, Y.
Zhang
, Y.
Zhang
, and Z. C.
Dong
, J. Chem. Phys.
153
, 244201
(2020
).[83]
R. P.
Wang
, B.
Yang
, Q.
Fu
, Y.
Zhang
, R.
Zhu
, X. R.
Dong
, Y.
Zhang
, B.
Wang
, J. L.
Yang
, Y.
Luo
, Z. C.
Dong
, and J. G.
Hou
, J. Phys. Chem. Lett.
DOI: .[84]
A. C.
Gadelha
, D. A. A.
Ohlberg
, C.
Rabelo
, E. G. S.
Neto
, T. L.
Vasconcelos
, J. L.
Campos
, J. S.
Lemos
, V.
Ornelas
, D.
Miranda
, R.
Nadas
, F. C.
Santana
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, B.
van Troeye
, M.
Lamparski
, V.
Meunier
, V. H.
Nguyen
, D.
Paszko
, J. C.
Charlier
, L. C.
Campos
, L. G.
Caņcado
, G.
Medeiros-Ribeiro
, and A.
Jorio
, Nature
590
, 405
(2021
).[85]
J. Y.
Xu
, X.
Zhu
, S. J.
Tan
, Y.
Zhang
, B.
Li
, Y. Z.
Tian
, H.
Shan
, X. F.
Cui
, A. D.
Zhao
, Z. C.
Dong
, J. L.
Yang
, Y.
Luo
, B.
Wang
, and J. G.
Hou
, Science
371
, 818
(2021
).
This content is only available via PDF.
© 2021 Chinese Physical Society.
2021
Chinese Physical Society
You do not currently have access to this content.
