發(fā)布時間：2020-05-17 01:56

【摘要】：針尖增強拉曼光譜(TERS)和掃描隧道顯微鏡(STM)誘導分子發(fā)光是兩種在納米尺度上探究分子、電子、光子、聲子以及等離激元之間相互作用和轉化的重要研究方法,而納腔等離激元對這兩種技術的實現(xiàn)具有十分重要的意義。本論文先用針尖增強拉曼光譜技術,通過納腔等離激元對單分子拉曼信號的增強作用和局域響應,從實驗上研究了分子在金屬表面的吸附行為。然后利用量子主方程的方法,從理論上研究了納腔等離激元與單分子之間的相互作用,探討了納腔等離激元在掃描隧道顯微鏡誘導分子發(fā)光中的作用問題。在第一章中,我們介紹了本論文所做工作的基本原理和研究背景。首先從表面極化等離激元、局域表面等離激元等方面介紹了表面等離激元光子學;接著在掃描隧道顯微鏡和納腔等離激元的基礎上,介紹了針尖增強拉曼光譜和掃描隧道顯微鏡誘導分子發(fā)光的基本原理;最后引出本論文的主要工作和研究內(nèi)容。在第二章中,我們通過納腔等離激元對單分子光譜信號的增強作用,用針尖增強拉曼光譜技術研究了還原性卟啉分子在Ag(100)表面的吸附行為。通過STM圖像和TERS光譜,我們發(fā)現(xiàn)還原性卟啉分子在Ag(100)表面有三種吸附類型。結合以往文獻報道和Ag(100)表面分子吸附區(qū)域附近的原子分辨晶格圖像,我們認為這三種吸附類型分別對應還原性卟啉分子在Ag(100)表面Hollow位、Bridge位和Top位的吸附。我們進一步對這三種吸附類型進行了 STM操作,結合STM圖像和TERS光譜,我們發(fā)現(xiàn),在分子中心進行操縱時,第二種吸附類型和第三種吸附類型均可以向第一種吸附類型轉變;在分子瓣上進行操縱時,第一種吸附類型和第二種吸附類型的分子構型可以隨著分子瓣依次被“壓下去”而改變。此外,通過對分子內(nèi)不同位置進行TERS測量,發(fā)現(xiàn)分子中心、分子瓣上和分子瓣間隙的TERS光譜是不一樣的。最后,我們還測量了 NaCl島上的還原性卟啉分子的TERS光譜,發(fā)現(xiàn)NaCl島表面的TERS光譜與Ag(100)表面的TERS光譜有所不同,與粉末樣品的拉曼光譜吻合得更好一些,這說明NaCl島減弱了銀襯底與分子之間的相互作用,起到了一定的脫耦合作用。以上針對不同吸附類型的TERS鑒別,充分展示了 TERS技術中納腔等離激元的高度局域性以及由此所帶來的超高分辨探測能力。為了進一步探究等離激元與單分子的相互作用,在第三章中,我們用量子主方程的方法,從理論上研究了當分子或者等離激元分別被激發(fā)的情形下等離激元-分子耦合體系的時間演化和光譜性質,并在此基礎上討論了納腔等離激元在掃描隧道顯微鏡(STM)誘導發(fā)光中發(fā)揮的不同作用。當STM針尖在分子上方,隧穿電子可以直接激發(fā)分子,此時等離激元的主要作用是通過提高分子的輻射速率來增強其發(fā)光,并且耦合體系表現(xiàn)出分子特征的尖銳發(fā)光峰。另一方面,當STM針尖很靠近分子邊緣但沒有載流子注入到分子時,等離激元-分子相互作用在這兩個量子客體之間產(chǎn)生相消干涉,從而使等離激元發(fā)射譜中在分子光學能隙附近出現(xiàn)法諾凹谷。最后,我們還討論了分子輻射速率對分子發(fā)光光譜線型的影響。
【圖文】：

ｔ逡逑圖１．１兩種新的振蕩模式。（ａ）表面極化等離激元；（ｂ）局域表面等離激元逡逑如圖１．２（ａ），ＴＭ偏振的電磁波入射到金屬平面與電介質界面時能夠激發(fā)ＳＰＰ。逡逑這里，ｚ２０的區(qū)域為電介質，介電常數(shù)是＆，而ｚ＜０的區(qū)域為金屬，介電常數(shù)逡逑是心＝心由麥克斯韋方程組和邊界條件，我們可以求得ＳＰＰ的色散關系：逡逑１逡逑

ＳＰＰ色散曲線［４】逡逑至此，我們得到了金屬平面與電介質界面的ＳＰＰ的色散關系，即（１－２），和逡逑色散曲線，即圖１．２（ｂ），其中，實線是ＳＰＰ的色散曲線，虛線是光錐線。從圖１．２（ｂ）逡逑可知，在同一頻率下，總是有Ａｗ＞＆，也就是說光子的動量總是與ＳＰＰ的動量逡逑不匹配，光波無法在光滑平面上與ＳＰＰ耦合。因此，我們需要采用一定的方法，逡逑補償光波波矢。常用的方法有：帶電粒子轟擊激發(fā)，，棱鏡、光柵、波導耦合，強逡逑２逡逑
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O561

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 王振林;;表面等離激元研究新進展[J];物理學進展;2009年03期

相關博士學位論文 前3條

1 江嵩;針尖增強拉曼散射在納米結構識別中的應用[D];中國科學技術大學;2016年

2 張堯;針尖等離激元增強單分子光譜的理論模擬[D];中國科學技術大學;2014年

3 趙愛迪;分子尺度量子態(tài)探測與調控的掃描隧道顯微學研究[D];中國科學技術大學;2006年

本文編號：2667726