最近,中國科學技術(shù)大學單分子科學團隊的董振超研究小組,通過掃描隧道顯微鏡(STM)誘導單分子電致發(fā)光技術(shù),首次清晰地展示了單個分子在電激勵下的上轉(zhuǎn)化發(fā)光行為,并通過與深圳大學李曉光教授等合作,從理論上揭示了其微觀機制。國際權(quán)威物理學術(shù)期刊《物理評論快報》于5月3日在線發(fā)表了這項成果。
上轉(zhuǎn)換發(fā)光通常指材料吸收低能光子但發(fā)出高能光子的反斯托克斯過程,這一現(xiàn)象在激光信息技術(shù)、紅外探測、生物醫(yī)學等領(lǐng)域有巨大的應用前景。電激勵下的上轉(zhuǎn)化發(fā)光過程中,有機分子吸收由STM注入的低能電子,并在其弛豫過程中發(fā)射出高能光子。這一過程涉及分子電子能態(tài)、分子間以及分子與周圍環(huán)境間的相互作用,深入理解這些相互競爭與制約的微觀過程,對其在有機光電轉(zhuǎn)換器件、光催化和光合成等方面的應用有著至關(guān)重要的意義。
中國科學技術(shù)大學單分子科學團隊長期致力于發(fā)展將STM高空間分辨表征與光學技術(shù)高靈敏探測相結(jié)合的技術(shù),特別是通過巧妙調(diào)控隧道結(jié)納腔等離激元的寬頻、局域與增強特性,拓展了測量極限,為在單分子水平上觀測和調(diào)控分子的光電行為提供了有力手段。他們利用高度局域化的隧穿電子作為激發(fā)源,研究了氯化鈉脫耦合層表面上的單個酞菁分子的電致熒光,不僅發(fā)現(xiàn)了反常的電致上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象,還清晰地展示了分子發(fā)光強度的三個不同偏壓區(qū)域。尤其值得指出的是,該工作在單分子水平上觀測到電致上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象,有力排除了此前對這類體系中上轉(zhuǎn)換機制的一些猜測,同時不同偏壓區(qū)域的觀測也為分析和理解上轉(zhuǎn)換機制提供了豐富的數(shù)據(jù)。以此為基礎(chǔ)的理論分析進一步表明,兩種不同的分子激發(fā)機制——非彈性電子散射和載流子注入——之間的微妙競爭導致了不同偏壓區(qū)域不同的發(fā)光現(xiàn)象?;趯ι鲜鰞煞N激發(fā)機制以及對系統(tǒng)其它潛在激發(fā)態(tài)的定量分析,研究團隊首次提出了以自旋三重態(tài)作為中間過渡態(tài),同時結(jié)合非彈性電子散射和載流子注入兩種激發(fā)過程的單分子上轉(zhuǎn)換發(fā)光機制。
陳功博士與駱陽博士為這篇文章的共同第一作者。該系列研究工作得到了基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省等單位的支持。
圖注: (a) STM誘導單分子電致發(fā)光的實驗構(gòu)型示意圖;
(b) 三種不同偏壓下單分子電致發(fā)光光譜,展示了單分子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象;
(c) 單分子電致發(fā)光強度的偏壓依賴關(guān)系。
論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.177401
(合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計中心、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)
新聞鏈接:http://news.ustc.edu.cn/2019/0509/c15884a380348/page.htm