低维小系统电致发光的原子尺度操控研究

近年来，随着微电子工业的迅猛发展和器件尺寸的持续缩小，纳米光电器件的性能越来越依赖于微观原子结构和局域环境，因此，如何在单原子/分子尺度上对器件的电光效应进行精确调控显得非常重要。扫描隧道显微镜（STM）由于其在原子尺度上的精确操纵能力，成为了对低维小系统进行量子调控的理想工具。另一方面，STM的针尖可以高度局域的向单分子和纳米结构中注入处于激发态的电子/空穴，通过电-光转换诱导光发射，从而在原子尺度上得到体系的光谱信息。基于此，本项目将利用集成了光学探测手段的STM，对生长在绝缘体表面上的低维小系统的发光特性在原子尺度上进行表征。并在此基础上发展STM针尖在绝缘体表面的操纵技术，通过对低维小系统的微观结构和隧道结纳腔等离激元进行可控调节，从而达到对单分子和纳米结构的电致发光特性进行操控的目的，以期能为纳米光电器件和纳米等离子体器件的发展和应用提供新思路和参考。

该项目搭建了一套“超快激光—超高真空低温扫描隧道显微镜联合系统”，使得单分子尺度上的发光光谱和超快动力学探测成为可能。我们利用该系统围绕绝缘体和金属表面上的单分子体系，进行了高分辨成像、操控、谱学和动力学研究，取得了一系列重要研究成果。一方面，我们对一种广泛应用于分子电子学电致发光研究的巯基π-共轭分子 (1,4-bis[4’-(acetylthio)styryl]benzene) 实现了化学键的选择性操纵，为单分子发光特性的精确调控提供了重要手段和途径。通过向单分子内部注入空间局域、能量可调的隧道电子，利用共振电子激发技术，我们分步把分子中四个不同的官能团逐个剥离，同时在能量空间和实空间中监测每一个化学键的断裂对分子电子结构的影响。基于可控的断键，进一步利用扫描隧道显微镜的原子操纵技术，精确的操控表面上的金原子，使其与分子中的硫原子结合并形成化学键，从而人为构造出了一个“电极-分子-电极”的单分子结。我们发现，Au-S键的空间构型和分子的对称性共同决定了成键的类型：共价键或者配位键；同时，Au-S相互作用是非局域的，其对整个分子的电子结构有着很大的影响，表现为分子共振态的展宽和能级的移动。另一方面，我们成功的把扫描隧道显微镜的亚分子级分辨成像和操控技术应用到水科学领域，实现了水分子的亚分子级分辨成像，使得在实空间中直接解析水的氢键网络构型成为可能。我们在水分子与金属衬底之间插入绝缘体超薄膜来减弱水分子与衬底之间的耦合，从而使水分子本征的轨道结构得以保留，同时我们把扫描隧道显微镜的针尖作为顶栅极，通过控制针尖与水分子的耦合，增强水分子的轨道态密度在费米能级附近的分布，从而在NaCl(001)薄膜表面上获得了单个水分子和水团簇的亚分子级分辨轨道图像，实现了对水分子的空间取向和水团簇的氢键方向性的直接识别。利用该技术，我们进一步解析了盐表面上二维冰层的氢键构型，首次发现了一种完全不同于体态冰的新型二维双层冰结构，这种冰结构的表面存在着高密度周期性排列的缺陷与不饱和氢键，完全违背了人们普遍接受的“冰规则”（Bernal-Fowler-Pauling ice rules），丰富了人们从前对固体表面冰结构的微观认识。