单分子尺度上光敏分子的原位光激发及相关动力学过程研究

光敏分子是叶绿素中的核心功能基团，在绿色植物光合作用中起关键作用。在单分子尺度上研究光敏分子光激发和动力学过程，有助于我们探索光合作用机理，进行光合作用模拟和开发新型高效的单分子光敏器件。本项目提出结合扫描隧道显微镜技术(STM)与超快激光技术，在单原子/分子空间尺度和飞秒时间尺度上研究光敏分子光激发及其动力学过程。研究内容主要包括:光敏分子/超薄绝缘层/金属衬底结构的制备和STM基本表征；发展单分子的原位超快时间分辨探测方法和技术；光敏分子充放电过程和光场耦合研究；单分子光激发及相关动力学过程研究四个方面。

高效地利用太阳能是缓解和解决当前全球能源紧缺、环境污染等一系列重大问题的合理的技术方案之一。太阳能的利用主要包括以下方面：光能转化成电能、光能转化成热能、以及光能转化成化学能。我们所熟知的光合作用就是典型的光能转化为化学能的例子。而光能转化为化学能包括多个不同的物理和化学过程，如光吸收产生光生载流子、光生载流子分离和复合、光生载流子表面/界面迁移以及表面活化能改变等等。对于这一系列复杂的物理和化学过程，我们需要进行深层次的基础科学研究，在微观量子化系统中，探测和测量能量转化过程中的相关物理量（比如光生载流子）相对于空间和时间自由度的动力学变化规律，只有这样我们才有可能真正地了解和控制这些过程。因此，本项目主要研究和开发新型的扫描隧道显微镜（STM）与超快激光耦合技术，在单原子/分子空间尺度和飞秒时间尺度上研究光敏分子光激发及相关动力学过程，揭示电子激发态时间响应动力学规律以及相关分子表面扩散动力学机理。.本项目的研究内容主要包括以下几个方面：一、单分子的原位超快时间分辨率探测方法和技术。基于现有的超高真空光耦合STM 系统，我们了优化信号采集和数据处理系统，STM和激光耦合光路系统，研究和开发单分子超快激光激发与探测的新方法和新技术。二、单分子充放电过程和光耦合研究。利用隧道电流激发单个分子，研究了单分子充放电导致的吸附构型和形貌的变化。研究光耦合对冲放电偏压阈值的影响和量子调控方法。三、单分子光激发和相关动力学过程研究。.通过本项目四年的研究，我们取得的主要研究进展如下：一、完善了STM和激光耦合技术，成功地将Shaking pulse pair excitation (SPPX)模式升级为Energy compensated SPPX (EC-SPPX)模式，信噪比由原来的10倍进一步提高到80倍；二、结合STM实验和第一性原理计算，我们发现超薄NaCl绝缘层上的单个镁卟啉分子（MgP）的转动特性可以通过其电荷态来调控。我们的研究在原子尺度上阐明了分子电荷态和转动的控制机理；三、我们完成了Cu(111)表面水分子团簇瞬态带电动力学研究，结合DFT计算，我们提出了一种新的水分子团簇结构，这种结构有利于水分子团簇局域俘获额外电子，并且总结了这种水分子团簇从电中性态到带电态，最后返回中性态的化学反应路径。我们的研究为进一步研究固体表面水团簇带电动力学提供基本的信息。