共轭聚合物单分子能量转移的量子相干效应研究

The role of quantum coherence in energy transfer of single conjugated polymer molecule is particular important for the performance of single molecular optoelectronic devices based on conjugated polymer and for the effective control and manipulation of energy transfer in organic devices. Considering the suppression of phonon effect at low temperature, we devote to investigate the role of quantum coherence in intramolecular and intermolecular energy transfer in single MEH-PPV conjugated polymer molecule. By using the characteristic of narrow spectral of single molecules at low temperature to distinguish donor and acceptor chromophores, the intramolecular and intermolecular energy transfer rate can be extracted from extended and folded single conjugated polymer molecule. Here, femtosecond pulse laser is divided into two pulses with tunable delay time to excite the single molecules. The quantum coherence time of strong and weak electronic coupling between donor and acceptor chromophores can be investigated by changing the time delay of pump-probe pulses and detecting the resulting fluorescence fluctuation. We will also measure the role of environment induced decoherence in energy transfer by altering the temperature. Moreover, the interplay between donor and acceptor chromophores can be controlled by external electric field, which makes it possible to control the quantum coherence in energy transfer. The research will lay the foundations for the further control of energy transfer in conjugated polymer and the development of new type of organic quantum optical devices.

共轭聚合物单分子能量转移中的量子相干效应是影响基于共轭聚合物的单分子器件性能及有机器件中能量转移有效操控的重要特性。本项目旨在研究MEH-PPV共轭聚合物单分子的分子内和分子间能量转移的量子相干效应。利用低温环境抑制声子效应使单分子荧光光谱变窄、能量转移供体和受体光谱易于区分的特性，研究伸展和折叠时单个共轭聚合物分子中分子内和分子间能量转移，测量能量转移效率；采用飞秒脉冲泵浦-探测技术，测量共轭聚合物单分子供体和受体发色团强耦合和弱耦合情况下能量转移的量子相干时间；改变共聚物单分子所处环境温度，研究环境退相干对能量转移效率的影响。通过施加电场调节供体和受体的相互作用，实现能量转移过程中的量子相干调控。相关研究将为进一步实现共轭聚合物能量转移的操控以及制备新型有机光量子器件奠定基础。

共轭聚合物单分子能量转移中的量子相干效应是影响基于共轭聚合物的单分子器件性能及有机器件中能量转移有效操控的重要特性。本项目围绕共轭聚合物单分子光物理特性、能量转移特性以及其中的量子相干效应，开展了如下几方面的工作：1）利用基于宽场荧光显微系统的单分子散焦成像技术，通过分析共轭聚合物单分子荧光轨迹和对应的发射偶极取向的变化识别共轭聚合物单分子发光单元，研究了不同构象对共轭聚合物单分子能量转移效率的影响，发现折叠构象下单分子保持高效链间能量转移，呈现单个发色团发射特性。2）利用频域信息重构的散焦宽场量子相干成像实现了PFO-DBT共轭聚合物单分子发色团的吸收与发射特性及其动态演变过程的同时和实时测量。发现PFO-DBT共轭聚合物单分子发色团吸收和发射偶极取向均保持不变、其中之一变化以及两者同时变化三种情况。通过对单分子激发态布居概率的控制，实现了一种量子相干调制增强单分子成像显微方案，大幅度消除强的荧光干扰。通过周期性地调制超短脉冲对之间的相位差，对发射荧光光子的到达时间进行离散傅立叶变换，在强的干扰信号中实现了对单个分子信号的有效提取，信号与干扰比提高了2个数量级以上。3）研究了环境因素对单分子光物理特性的影响，发现单分子荧光闪烁暗态持续时间及光子统计特性与环境中氧浓度相关，实现了基于单分子荧光闪烁动力学特性的超低浓度氧传感，灵敏度可达43.42 kPa-1，实现了基于时间分辨光子统计方法检测单分子水平单线态氧的产生。利用N掺杂的氧化铟锡纳米颗粒改变介电环境实现单个量子体系荧光闪烁效应的操控，发现氧化铟锡可以抑制单量子体系与周围俘获态的电子转移。相关研究为进一步实现共轭聚合物能量转移的操控以及制备新型有机光量子器件奠定基础。