融合磁学技术的纳米隧道结电致发光研究

This project will study the controlled electroluminescence of the tunnel junction in the low-temperature magnetic field or the localized magnetic structure with high-resolution scanning tunneling microscope （STM） combined with high-efficiency optical collection and detection system. It will discover the optical, electrical and magnetic behavior of the nano-magnetic structures or organic photovoltaic molecules in the nano-environment. Besides the transport property from tunneling currents, the photon signals excited by inelastic tunneling process also reveals further information of the injection and excitation of the electrons, the carrier transport, energy transfer, the interfacial properties, the spin-dependent local properties and the conversion, and the coupling of electron, photon and phonon in the magnetic field. This project will provide additional information on how to improve the electron-photon and magnet-photon conversion efficiency. And "colored photon mapping" will be developed to improve the chemical resolution ability of STM. Also, we will study the physical mechanism of scanning tunneling microscope-induced luminescence in a magnetic field with the help of the theory group. This project will provide new basic information and optimization guide for the development of the nanodevices, quantum information technology, and the energy field.

本项目将利用配备低温磁场的高分辨扫描隧道显微镜，结合高效率的光学收集和检测系统，实现宏观磁场、磁性探针以及局域化的磁结构影响下的可控的纳米隧道结电致发光，展示隧道结中纳米磁结构或有机光电分子在纳米环境中的光、电、磁行为，了解隧道结中电子的注入和激发、载流子输运、能量转移、界面性质、局域自旋变化以及磁场参与下的电子、光子、声子的转化和耦合，探寻电场、磁场对发光材料光学性能影响的机制，寻找纳米环境中电-光、磁-光转化效率提高的方法，结合包含光子强度和光谱信息的光子图，提高STM的化学分辨能力。并通过与理论组合作，对隧道结中的电学性质、电光转化、磁场效应等进行模拟和计算，研究纳米尺度上电、磁作用下的发光本质。. 本项目将为纳米磁光电器件、量子信息技术以及能源科学提供崭新而直接的基础信息和优化指南。

由于半导体微电子器件的发展日益趋于极限, 纳米器件的研发吸引了众多科学家的目光。利用外场对纳米结构的性能进行检测和调控，对功能纳米器件发展具有重要的意义，近年来扫描隧道显微镜（STM）诱导发光以及STM与磁学技术的结合有很多开创性的进展。我们建立和优化一套“高分辨低温超高真空STM-磁学-光学复合系统”，并结合磁场和激光技术，开展多种样品体系（金属、半金属、半导体、磁性薄膜、有机分子膜等）的纳米尺度探针诱导发光的实验研究。.我们在 “高分辨低温超高真空STM”的设备基础上，与公司共同设计改进，配置低温磁场系统和四透镜视窗系统，实现“高分辨低温超高真空STM-磁学-光学复合系统”的稳定工作，可用于原位超高真空样品的探针或激光激发，是认知纳米尺度电子传输、能量转移、激子衰变等物理本质的有力工具。.本项目研究了“云母片表面锌卟啉（ZnTPP）分子纳米岛的荧光增强效应”。观测到分子纳米岛聚集状态对光谱线形的影响和荧光强度的激增，我们的研究结果对提高有机分子薄膜体系的发光效率以及微纳加工分子发光增强型器件具有一定的参考意义。.本项目研究了“纳米尺度卟啉分子二聚体的组装构型和STM诱导发光”。我们表征了纳米尺度分子堆积过程、排列构型、聚集状态等对纳米尺度荧光状态的影响，观测到随着分子层数的增多，分子单体向二聚体的转变（形貌与光谱），对拓宽有机分子电致发光器件的光谱范围和设计功能性分子光电器件具有基础的指导意义。.本项目研究了“磁性薄膜材料的激光诱导超快自旋动力学”， 基于磁光克尔效应的泵浦-探测技术，测量了成分比不同的磁性薄膜的超快自旋动力学过程，发现了两步退磁的现象，并结合四温度模型给予合理的解释，增进了对激光辅助磁存储技术物理本质的认识。.本项目研究了“CoTPP分子薄膜的自组装和发光”， 通过STM高度局域化的偏压调控，改变Co原子和卟啉核之间的相互作用，得到原本无荧光的卟啉分子发光，开展了自制磁性针尖对样品进行表征和诱导发光的实验，验证了磁场作用下STM系统表征样品的稳定性，对纳米尺度分子光电器件的发展具有一定的指导意义。.此外，我们在设备改进和实验测量的基础上，研发了几项辅助实验测量的专利系统，包括可调节针尖腐蚀系统、飞秒脉冲宽度测量系统、快速精密短程光学延时系统和铁磁材料太赫兹介电常数的测量系统。