掃描隧道顯微鏡誘導(dǎo)發(fā)光中的光學(xué)檢測(cè)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(jí)，支配半導(dǎo)體微電子技術(shù)發(fā)展的摩爾定律有可能將在不久的未來(lái)發(fā)展到極限。新興的納米光電集成技術(shù)旨在探索在納米尺度上將電子學(xué)技術(shù)與光子學(xué)技術(shù)相融合的途徑，有可能為摩爾定律的延續(xù)帶來(lái)曙光。研究納米尺度下、尤其是單分子水平的光電行為，對(duì)未來(lái)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(duì)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(shù)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(duì)分子分布很稀疏的樣品體系進(jìn)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(duì)分子進(jìn)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(xué)檢測(cè)設(shè)備相結(jié)合的技術(shù)可以在空間、時(shí)間、能量三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)單分子光電行為的高分辨表征與檢測(cè)。
　　 由于單分子發(fā)光信號(hào)極其微弱，為了減小實(shí)驗(yàn)難度，一方面需要在設(shè)備

3、研制方面實(shí)現(xiàn)高效光子收集和檢測(cè)系統(tǒng)與STM的有效結(jié)合，另外一方面需要優(yōu)化樣品結(jié)構(gòu)來(lái)提高量子轉(zhuǎn)化效率，從而降低對(duì)長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間和高電流的依賴，獲得清晰、可靠、有價(jià)值的光學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)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(dǎo)發(fā)光(STML)中的光子收集系統(tǒng)和樣品結(jié)構(gòu)，提高光子信號(hào)強(qiáng)度以及拓展新的STM誘導(dǎo)發(fā)光檢測(cè)手段。全文將分為五個(gè)部分進(jìn)行討論。
　　 第一章，我們簡(jiǎn)略介紹了STM誘導(dǎo)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(yīng)用;然后分別對(duì)金屬、半導(dǎo)體和有機(jī)分子體系的STM誘導(dǎo)發(fā)光的研究狀況進(jìn)行了介紹;最后我們簡(jiǎn)單介紹了單光子檢測(cè)的原理和方法。
　　 第二章，我們首先對(duì)以前STML測(cè)量中各種收集方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。我們采取了兩個(gè)非球面透鏡的收集方案，并且用Zemax軟件進(jìn)行優(yōu)化，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)給出的結(jié)果都充分顯示了我們的半球光子收集效率達(dá)到13％。我們還對(duì)光學(xué)測(cè)量功能進(jìn)行拓展，開(kāi)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(qiáng)拉曼光譜測(cè)量以及單光子檢測(cè)功能等。
　　 第三章，我們利用優(yōu)化過(guò)的STML光子檢測(cè)方法，在皮安量級(jí)隧穿電流和毫秒曝光時(shí)間內(nèi)對(duì)分子進(jìn)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(duì)針尖誘導(dǎo)的等離激元發(fā)射具有調(diào)制作用，在分子島內(nèi)部會(huì)減弱發(fā)光，而在分子島邊緣發(fā)光會(huì)顯著增強(qiáng)。我們運(yùn)用有效介質(zhì)理論對(duì)分子膜上光子強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值模擬，認(rèn)為亞分子分辨光子圖的形成是由隧道結(jié)間距相關(guān)的等離激元場(chǎng)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(jié)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(zhǎng)性質(zhì)和相關(guān)的光學(xué)性質(zhì)，我們?cè)?層α-6T的得到了較好的光致α-6T熒光，但卻沒(méi)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(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，表明脫耦合在STM誘導(dǎo)分子發(fā)光中并非充分條件，分子的電子結(jié)構(gòu)、能級(jí)對(duì)準(zhǔn)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(duì)卟啉分子進(jìn)行STM誘導(dǎo)

7、發(fā)光研究，在實(shí)驗(yàn)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(rèn)為如此之高的量子產(chǎn)率并非來(lái)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(fù)合，等離激元與分子激子的耦合對(duì)分子發(fā)光的增強(qiáng)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(lái)獲得單個(gè)卟啉分子的STM誘導(dǎo)發(fā)光。實(shí)驗(yàn)中我們還在分子團(tuán)簇上觀察到光譜移動(dòng)和分裂現(xiàn)象。我們認(rèn)為光譜的分裂主要是由于電子同時(shí)激發(fā)幾個(gè)分子導(dǎo)致，光譜