基于外电场操控的单分子与氧化石墨烯电子转移特性研究

The single molecular quantum system has extensively applications in quantum information processing and optical quantum devices. As one of the most important dynamics of single molecule, the electron transfer has been used to established molecular field effect transistor, quantum memory devices. Currently, people study and manipulate the electron transfer of single molecule by choosing different polymer matrixs, which severely affected by random energy barriers distribution between polymers and single molecules. This project chooses graphene oxide (GO) as the matrix, the energy bands of which can be modulated by the external electric field dun to the functional groups on the basal plane, and also the ration of C and O atoms of GO can be changed reversibly in electric field. The SR single molecule with almost zore permanent electric dipole moment will also been selected. Based on the two points mentioned above, we propose to manipulate the electron transfer of SR single molecule by changing the energy bands of GO in external electric fields. First, the single molecule will be spin coated on the single layer GO, then the fluorescence intensities, lifetimes and spectrum of SR single molecule in various electric fields will been investigated to study the interaction between GO and single molecules. At last, by obtaining the feature of single-molecule electron transfer in different electric fields , we can manipulate the electron transfer effectively and improve the efficiency more than 90%, which can provide the theoretical and technologic foundation for optical quantum device based on single dye molecule and GO.

单分子量子体系在量子信息处理和光量子器件中具有非常广泛的应用前景。电子转移作为单分子最重要的动力学过程之一已用于分子场效应管，量子存储器等。目前主要通过选取不同的聚合物基质来调节单分子电子转移，这种方法受聚合物与单分子之间势垒的随机分布影响，电子转移效率较低。本项目选取氧化石墨烯作为基质，利用氧化石墨烯具有表面官能团在外电场下发生可逆改变导致其能带发生位移的特性；选取永久电偶极矩几乎为零的SR染料单分子作为研究对象，提出通过外电场操控氧化石墨烯能带以实现提高SR单分子电子转移效率的研究方案。通过不同电场下氧化石墨烯表面SR单分子荧光强度，荧光寿命以及频谱变化，研究单分子与氧化石墨烯之间的相互作用，掌握外电场下单分子电子转移的特性，实现外电场对单分子电子转移的有效操控，把电子转移效率提高至90%以上，为研制基于氧化石墨烯和染料单分子的光量子器件奠定理论与技术基础。

单量子体系在量子信息处理和光量子器件制备中具有非常广泛的应用前景。电子转移作为单量子体系最重要的动力学过程之一，已应用于分子场效应管，量子存储器等。研究并操控单量子体系与承载基底之间的电子转移对研制并提升基于单量子体系（如单分子、量子点）的光电器件具有重要的意义。本项目围绕外场对氧化石墨烯（GO）和单分子光/量子点电特性的调制及他们之间电子转移的操控，开展了如下方面的研究工作。1）电场对GO吸收和荧光光谱的调制。通过施加平行电场，实现了对GO吸收及荧光发射强度的可逆调控；通过第一性原理计算了不同电场下GO能带及其局域态密度，并根据GO介电常数P和面电阻σ与电场的线性关系，数值模拟了GO透射率T随电场的变化，阐述了电场调制GO透射和荧光的机理。2）电场对单分子荧光光谱的调制。实验中分别在玻片表面和聚合物基质（聚甲基丙烯酸甲脂，PMMA）中制备了方酸衍生轮烷（SR）单分子。通过对玻片上SR单分子两端施加方波电场，实现了对SR单分子荧光发射的快速调制，并基于分子内电子转移阐述了产生该调制的机理；这种快速调制可用于制备单分子荧光开关。通过对PMMA基质中SR单分子两端实施正弦波电场，获得了SR单分子在电场下的荧光迟滞效应，并基于分子间电子转移解释了实验现象，这种现象可用于制备单分子磁存储器件。3）GO与单量子点（Quantum Dots，QDs）的电子转移及其调控。将CdSeTe/ZnS核壳量子点旋涂于GO薄膜表面；通过光照形成还原性氧化石墨烯（RGO），实现了对QDs与GO/RGO之间电子转移的调控：量子点在玻片上的寿命为110ns，而在GO/RGO的寿命则分别为77ns和47ns，相应的GO与QDs之间的转移效率由0.30提升至0.57；转移速率由5.57×106 s-1增大到2.86×107 s-1。需要说明的是，由于电场对GO和SR同时具有调控效果，项目并未按原计划研究电场对GO与SR电子转移的调控，而集中研究光场下GO与QDs的电子转移，并实现了调控。本项目的研究为制备基于SR单分子以及GO与QDs的光量子器件奠定了理论与技术基础。