分子尺度上的光子态调控与单分子电致发光

分子尺度上的光电相互作用是未来信息和能源技术的物理基础。本项目将进一步发展原子分辨扫描隧道显微镜与单光子检测技术的联用系统，从空间、能量、时间三个方面对分子尺度体系的结构和波函数、特别是光子态进行高分辨高灵敏的表征、检测与调控。项目将以含电子共轭体系的有机功能光电分子为研究对象，利用隧穿电子的高度局域化激发，从量子水平上来研究分子隧道结的发光现象，特别是隧道结中电子、激子、等离激元、声子和光子等基本量子之间的耦合与转化、量子态与周围纳米结构的相互作用，探索光学跃迁的本质和能量转移过程的动力学机制，并进一步通过分子设计和脱耦合作用等光子态调控途径，协调由局域等离激元所引起的金属增强荧光与荧光淬灭效应之间的竞争、电子和空穴载流子的平衡注入、传输与辐射复合问题，探讨电泵单分子发光的实现方法及其作为单光子源的潜力。研究结果将拓广和提高人们对分子在纳米环境中的光电行为的认识和调控能力。

围绕分子尺度上的光子态调控与单分子电致发光课题，我们开展了一系列研究工作，在课题组的共同努力下，获得一些有意义的研究成果：.（1）设备研制方面。进一步发展和完善了低温超高真空STM与单光子检测联用系统的表征和检测功能。通过在STM和CCD检测器之间设置同步触发信号进行联动，在获得STM形貌图的同时获得了具有光谱分辨的“彩色”光子图信息；通过构建无光纤耦合的自由空间光路，结合高灵敏APD单光子检测器，建立了高灵敏高分辨“黑白”光子图成像系统，并发现新奇的分子岛边缘荧光增强效应；自主研制了具有单分子化学识别能力的探针增强拉曼（TERS）光谱测量系统，并在高分辨化学成像方面取得突破性进展，首次实现了史无前例的亚分子分辨拉曼成像，将具有化学识别能力的空间分辨率从前人的14 nm提高到1 nm以下，使得单分子尺度上的化学识别成为可能；搭建了新型低温、超高很空、多通道光子检测与STM联用的集成系统。（2）分子光子态调控与单分子电致发光研究方面。通过物理与化学手段设计和制作脱耦合结构，调控发光分子的光子态，克服了激发态分子在金属表面附近的荧光淬灭问题，实现了隧道结中分子、尤其是单个分子的电致发光。通过实验与理论相结合，阐释了隧道结中隧穿电子、有机激子、等离激元、声子、光子之间的耦合以及能量转移动力学过程。（3）STM诱导分子荧光的理论研究。采用速率方程方法和主方程方法研究了针尖-分子-金属衬底体系下的分子荧光光谱；利用时域有限差分法探讨了二维等离激元光子晶体（PPC）中局域表面等离激元与表面等离极化激元的竞争及其对偶极发射的调控可能性，为改善STM诱导的分子发光品质以及实现PPC辅助的等离激元激射提供了新思路。. 项目迄今已发表SCI研究论文10篇，其中影响因子大于3的论文6篇。项目执行期间，课题组成员参加国内外学术会议30余次，其中邀请报告23余次，包括APS、IVC、ICNT、NFO等国际大型学术会议。指导培养研究生9人，本科毕业生10余人。以上成绩说明课题按计划进行，并实现预期目标。