掃描隧道顯微鏡誘導發(fā)光中的光學檢測和單分子發(fā)光研究.pdf

1、隨著器件尺寸不斷縮小到納米量級，支配半導體微電子技術發(fā)展的摩爾定律有可能將在不久的未來發(fā)展到極限。新興的納米光電集成技術旨在探索在納米尺度上將電子學技術與光子學技術相融合的途徑，有可能為摩爾定律的延續(xù)帶來曙光。研究納米尺度下、尤其是單分子水平的光電行為，對未來納米光電子器件的發(fā)展具有重要意義。
　　 單分子利用其發(fā)光特性不僅可以作為對周圍納米環(huán)境的傳感器，而且單分子發(fā)光還具備一定的單光子發(fā)射特性，可能作為量子光源用于量子信息、量

2、子處理以及量子密碼技術中。然而傳統(tǒng)的利用光激發(fā)研究單分子發(fā)光的方法，受到衍射極限的限制，只能對分子分布很稀疏的樣品體系進行研究。利用電激發(fā)方法研究單分子發(fā)光，可充分利用隧穿電子的局域特性在納米尺度范圍內(nèi)對分子進行有選擇的激發(fā)。使用高分辨掃描隧道顯微鏡(STM)與高靈敏光學檢測設備相結合的技術可以在空間、時間、能量三個方面實現(xiàn)對單分子光電行為的高分辨表征與檢測。
　　 由于單分子發(fā)光信號極其微弱，為了減小實驗難度，一方面需要在設備

3、研制方面實現(xiàn)高效光子收集和檢測系統(tǒng)與STM的有效結合，另外一方面需要優(yōu)化樣品結構來提高量子轉(zhuǎn)化效率，從而降低對長檢測時間和高電流的依賴，獲得清晰、可靠、有價值的光學數(shù)據(jù)來闡釋納米尺度的光電現(xiàn)象及其本質(zhì)。本論文的工作集中在如何優(yōu)化STM誘導發(fā)光(STML)中的光子收集系統(tǒng)和樣品結構，提高光子信號強度以及拓展新的STM誘導發(fā)光檢測手段。全文將分為五個部分進行討論。
　　 第一章，我們簡略介紹了STM誘導發(fā)光的研究背景。首先介紹表面等

4、離激元的發(fā)展歷史和物理特性及其應用;然后分別對金屬、半導體和有機分子體系的STM誘導發(fā)光的研究狀況進行了介紹;最后我們簡單介紹了單光子檢測的原理和方法。
　　 第二章，我們首先對以前STML測量中各種收集方法的優(yōu)缺點進行了比較。我們采取了兩個非球面透鏡的收集方案，并且用Zemax軟件進行優(yōu)化，模擬結果和實驗給出的結果都充分顯示了我們的半球光子收集效率達到13％。我們還對光學測量功能進行拓展，開發(fā)了雪崩光二極管(APD)光子圖功能

5、、同步彩色光子圖功能、針尖增強拉曼光譜測量以及單光子檢測功能等。
　　 第三章，我們利用優(yōu)化過的STML光子檢測方法，在皮安量級隧穿電流和毫秒曝光時間內(nèi)對分子進行表面等離激元發(fā)光的亞分子分辨成像。我們發(fā)現(xiàn)，分子對針尖誘導的等離激元發(fā)射具有調(diào)制作用，在分子島內(nèi)部會減弱發(fā)光，而在分子島邊緣發(fā)光會顯著增強。我們運用有效介質(zhì)理論對分子膜上光子強度進行了數(shù)值模擬，認為亞分子分辨光子圖的形成是由隧道結間距相關的等離激元場增益和隧穿電子的高度

6、局域化激發(fā)二者共同作用的結果。
　　 第四章第一部分中我們選擇具有較好空穴傳輸特性的α-6T分子作為發(fā)光分子，研究多層α-6T自組裝生長性質(zhì)和相關的光學性質(zhì)，我們在5層α-6T的得到了較好的光致α-6T熒光，但卻沒有得到電致熒光，我們從經(jīng)典電磁理論和量子隧穿角度對結果進行了分析，表明脫耦合在STM誘導分子發(fā)光中并非充分條件，分子的電子結構、能級對準也是需要考慮的因素;第二部分我們將α-6T分子作為脫耦合層對卟啉分子進行STM誘導

7、發(fā)光研究，在實驗中觀察到了以前從米觀察到的高到10-3光子/電子的量子產(chǎn)率。我們認為如此之高的量子產(chǎn)率并非來自于針尖與分子的接觸，而是源自α-6T提供的豐富的空穴與針尖電子的高效復合，等離激元與分子激子的耦合對分子發(fā)光的增強也有很重要的作用。
　　 第五章我們研究利用NaCl作為脫耦合層來獲得單個卟啉分子的STM誘導發(fā)光。實驗中我們還在分子團簇上觀察到光譜移動和分裂現(xiàn)象。我們認為光譜的分裂主要是由于電子同時激發(fā)幾個分子導致，光譜