本文關(guān)鍵詞：掃描隧道顯微鏡誘導(dǎo)單分子發(fā)光中的脫耦合問題研究

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【摘要】：未來信息和能源技術(shù)的一個重要發(fā)展方向就是納米尺度上的分子器件的光電集成技術(shù),其物理基礎(chǔ)是分子尺度上的光電相互作用以及光子態(tài)的調(diào)控。掃描隧道顯微鏡(STM)誘導(dǎo)發(fā)光技術(shù)融合了具有單原子實空間分辨率的STM技術(shù)和高靈敏單光子探測技術(shù),利用高度局域的隧穿電流,誘導(dǎo)單個納米發(fā)光體發(fā)光,可以較為全面地在納米尺度上研究光電轉(zhuǎn)換行為。其研究結(jié)果可以深化我們對電子、光子、激子、等離激元量子態(tài)之間相互作用和耦合的理解,為今后研制電激勵納米光源以及相關(guān)的集成光電器件提供科學(xué)基礎(chǔ)�；赟TM的研究需要導(dǎo)電性的襯底,因此,在STM誘導(dǎo)單分子發(fā)光的研究中,常用金屬材料作為襯底。然而,當(dāng)熒光分子直接吸附在金屬襯底上,分子和襯底間將存在電荷與能量轉(zhuǎn)移,進而會導(dǎo)致分子電致熒光被淬滅。因此,分子有效脫耦合是STM誘導(dǎo)發(fā)光研究中的一個關(guān)鍵問題。目前常用的脫耦合方法是物理脫耦合方法,即在發(fā)光體和金屬襯底之間加入薄層絕緣材料,隔絕分子與襯底之間的電荷轉(zhuǎn)移,減弱分子和襯底之間的能量轉(zhuǎn)移。除了物理脫耦合方法,還存在化學(xué)脫耦合方法,即通過化學(xué)官能團修飾分子,進而實現(xiàn)分子的自脫耦合。此外,化學(xué)脫耦合方法還可以合理調(diào)控發(fā)光基團躍遷偶極取向與隧道結(jié)中納腔等離激元(NCP)的方向,使分子躍遷偶極取向與NCP方向平行,進而通過分子偶極與等離激元的相互作用來增強STM誘導(dǎo)分子發(fā)光。本論文針對STM隧道結(jié)中的脫耦合問題,從物理脫耦合與化學(xué)脫耦合這兩種研究角度出發(fā),通過構(gòu)筑“金屬探針-發(fā)光體-間隔體-金屬襯底”結(jié)構(gòu),研究單個分子的STM電致熒光,進而討論分子尺度上的電光轉(zhuǎn)換及STM隧道結(jié)內(nèi)納腔等離激元與分子的相互作用,該研究為探索具有高效電光轉(zhuǎn)換效率的單分子光源奠定基礎(chǔ)。 本論文內(nèi)容主要分為以下四部分： 第一章,我們首先介紹了掃描隧道顯微鏡誘導(dǎo)發(fā)光技術(shù)和納米等離激元學(xué),然后介紹我們常用到的發(fā)光體卟啉類分子的相關(guān)知識,最后簡單介紹了我們實驗的相關(guān)儀器設(shè)備和本論文的主要工作。 第二章,我們采用不同鏈長的C4S、C6S、C8S自組裝硫醇膜(SAMs)作為脫耦層,利用STM針尖局域電流誘導(dǎo)單個卟啉分子發(fā)光,得到了具有單個卟啉分子特征的電致熒光峰。通過選用不同的硫醇自組裝膜作為脫耦合層,可以控制熒光分子與金屬襯底之間的距離。我們發(fā)現(xiàn)分子熒光的Qx(0,0)躍遷峰隨著間隔層厚度的增加而變窄,在間隔層距離為0.81-1.25nm條件下,反映能量展寬的半峰寬(w)與距離之間近似滿足w∝d-3關(guān)系,經(jīng)典的偶極理論似乎仍然有效。 第三章,除了采用物理脫耦合的方式實現(xiàn)STM誘導(dǎo)單個卟啉分子發(fā)光之外,我們進一步研究了化學(xué)脫耦合方法。我們自主設(shè)計和合成了多功能的融“嫁接基團-間隔基團-發(fā)光基團”于一體的“三腳架”結(jié)構(gòu)的卟啉光電分子,采用兩種不同的溶液制備方法將他們分散到金屬表面,實現(xiàn)STM誘導(dǎo)單分子尺度的自脫耦分子熒光。分子發(fā)光效率可以達(dá)到10-4,與傳統(tǒng)的分子發(fā)光效率10-5～10-6相比,高了一個量級,可見通過化學(xué)脫耦合手段控制分子偶極取向,可以實現(xiàn)較強的STM誘導(dǎo)分子熒光。 第四章,在第三章自脫耦合“三腳架”結(jié)構(gòu)的卟啉分子研究中,分子不總是能直立吸附在金屬襯底上。為了更好地控制分子偶極取向,我們改進分子設(shè)計方式,設(shè)計了“四腳架”二萘嵌苯分子和“四腳架”卟啉分子,每個腳都有一個熒光分子,因此無論以何種結(jié)構(gòu)吸附在襯底上,總有熒光基團沿著探針方向,這就為得到較強的STM誘導(dǎo)發(fā)光提供了可能。我們采用“閃熱”脫吸附的方法成功實現(xiàn)了高度功能化的大分子在金屬襯底上的制備,通過STM誘導(dǎo)單個功能大分子發(fā)光,得到了“四腳架,,卟啉分子的電致發(fā)光,而且發(fā)光效率大約在10-4,跟以前多層脫耦合分子的發(fā)光效率相比,電致分子熒光的強度提高了約一個數(shù)量級,實現(xiàn)了通過設(shè)計分子自脫耦合、調(diào)控分子偶極取向以增強分子熒光的目的。 本論文采用物理手段和化學(xué)手段兩種脫耦合方式,實現(xiàn)STM誘導(dǎo)單分子發(fā)光。值得特別指出的是,通過構(gòu)筑特殊多功能光電分子的化學(xué)脫耦合途徑,不僅可以實現(xiàn)分子自脫耦合,而且還可控制分子躍遷偶極的取向,在增大躍遷偶極垂直分量的同時,可以增強分子熒光與等離激元之間的相互作用,進而實現(xiàn)較強的STM誘導(dǎo)分子發(fā)光。本文基于這一設(shè)計策略的研究結(jié)果為研發(fā)新型的電激勵納米光源提供了新的思路和方法。
【關(guān)鍵詞】：掃描隧道顯微鏡 表面等離激元 掃描隧道顯微鏡誘導(dǎo)發(fā)光 硫醇自組裝膜 自脫耦合 “三腳架”卟啉 “四腳架”二萘嵌苯 “四腳架”卟啉
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O561
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-40
• 1.1 掃描隧道顯微鏡誘導(dǎo)發(fā)光技術(shù)(STML)簡介12-27
• 1.1.1 STM的基本原理和應(yīng)用12-19
• 1.1.2 STM誘導(dǎo)發(fā)光技術(shù)(STML)19-27
• 1.2 納米等離激元學(xué)簡介27-31
• 1.2.1 表面等離激元簡介27-30
• 1.2.2 表面等離激元應(yīng)用30-31
• 1.3 卟啉類分子簡介31-33
• 1.4 實驗儀器介紹33-36
• 1.5 本論文的研究工作36-37
• 參考文獻(xiàn)37-40
• 第二章 STM誘導(dǎo)硫醇自組裝膜上單個卟啉分子的發(fā)光研究40-58
• 2.1 實驗設(shè)計及樣品制備40-43
• 2.1.1 硫醇自組裝膜簡介41-42
• 2.1.2 SAM上單個卟啉分子的制備42-43
• 2.2 STM誘導(dǎo)自組裝硫醇膜表面單個卟啉分子的發(fā)光43-52
• 2.2.1 不同短鏈硫醇膜的脫耦合性43-46
• 2.2.2 半峰寬隨距離的變化關(guān)系46-49
• 2.2.3 C_8S硫醇膜兩種組裝結(jié)構(gòu)對分子吸附及STM誘導(dǎo)發(fā)光影響49-51
• 2.2.4 儀器溫漂校準(zhǔn)及分子發(fā)光與位置的關(guān)系51-52
• 2.3 STM誘導(dǎo)發(fā)光機制研究—雙隧道結(jié)模型52-54
• 2.4 本章小結(jié)54-55
• 參考文獻(xiàn)55-58
• 第三章 化學(xué)設(shè)計的自脫耦合卟啉分子的STM誘導(dǎo)發(fā)光研究58-78
• 3.1 引言58-59
• 3.2 自脫耦合分子設(shè)計、合成和光學(xué)性質(zhì)的檢測59-64
• 3.2.1 自脫耦合分子的設(shè)計59-62
• 3.2.2 TPP-Tpd-3SH的合成及模擬圖62-63
• 3.2.3 TPP-Tpd-3SH分子的光學(xué)性質(zhì)的檢測63-64
• 3.3 TPP-Tpd-3SH/Au(111)樣品制備(溶液浸泡法)及STM表征64-70
• 3.3.1 TPP-Tpd-3SH/Au(111)樣品的制備——溶液浸泡法64-65
• 3.3.2 TPP-Tpd-3SH/Au(111)樣品的STM表征及STML65-69
• 3.3.3 等離激元對分子熒光的調(diào)制作用69-70
• 3.4 TPP-Tpd-3SH/Au(111)樣品制備(溶液點滴法)及STM表征70-74
• 3.4.1 TPP-Tpd-3SH/Au(111)樣品的制備——溶液點滴法70
• 3.4.2 TPP-Tpd-3SH/Au(111)樣品STM表征和STML70-74
• 3.5 STML分子發(fā)光效率的比較(兩種制備方法)74-75
• 3.6 發(fā)光機制75-76
• 3.7 本章小結(jié)76-77
• 參考文獻(xiàn)77-78
• 第四章 功能光電分子衍生物的表面分散及組裝的STM研究78-102
• 4.1 引言78-80
• 4.2 樣品制備方法簡介80-89
• 4.2.1 溶液浸泡法80-81
• 4.2.2 Knudsen cell蒸發(fā)法81
• 4.2.3 閃熱脫吸附方法81-83
• 4.2.4 電噴射方法83-87
• 4.2.5 干接觸轉(zhuǎn)移法87-88
• 4.2.6 脈沖閥方法88-89
• 4.3 Tetrapod PTCDI分子的樣品制備及STM表征89-95
• 4.4 “四腳架”卟啉分子ZnP4TPM分子的樣品制備及STM表征95-98
• 4.5 本章總結(jié)和展望98-100
• 參考文獻(xiàn)100-102
• 發(fā)表和待發(fā)表論文目錄102-104
• 致謝104-105

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 王振林;;表面等離激元研究新進展[J];物理學(xué)進展;2009年03期

，

本文編號：1124974