單分子動力學特性的測量及操控.pdf

1、經過二十多年的發(fā)展，單分子光譜學已經逐漸從低溫光譜方法演化為一個通用的工具，被廣泛用于研究物理、化學、生物和材料科學中的各類相關問題。單分子消除了系綜平均，可以作為一個納米光學探針探測它們所處局部環(huán)境的結構和動力學信息，這些信息對研究復雜的聚合物材料或其他種類的復雜物質具有重要的意義，單分子光譜可以提供納米尺度環(huán)境的精細圖像，展示了局部環(huán)境的異構和異于系綜平均的信息。染料熒光單分子已經被用作納米尺度的量子元件或部件，如觸發(fā)的單光子源和單

2、分子開關，同時這種有機染料分子材料能夠用于下一代的半導體器件，如有機發(fā)光二極管、有機場效應管和有機太陽能電池等。研究有機單分子與金屬、半導體等材料之間的相互作用以及對電場、電流的響應特性可以為制備分子量子器件與分子器件奠定理論基礎與技術儲備。
　　本文主要工作是探測了在室溫條件下單分子在液體環(huán)境和聚合物薄膜表面及內部的動力學特性，并分別利用電場和電流來操控分子的動力學特性。通過寬場照明成像和共焦掃描系統(tǒng)兩種手段跟蹤測量了單分子在液

3、體環(huán)境下的隨機擴散運動的性質;基于共焦掃描光學實驗系統(tǒng)和熒光偏振探測相結合的方法測量了聚合物PMMA薄膜上單分子的偶極再取向動力學特性;通過散焦成像和環(huán)形照明的技術手段測量了單分子在聚合物薄膜中的轉動動力學。研究了電場作用下單分子的熒光偏振度和熒光發(fā)射強度的變化，并通過建立相關的理論模型解釋了觀察到的實驗現象。研究了有機染料分子/半導體納米粒子系統(tǒng)中系綜分子和單分子的界面電子轉移動力學特性;測量了電流作用下的單分子熒光強度和熒光壽命的變

4、化，并對實驗結果進行了數值模擬。
　　本論文工作的創(chuàng)新點:
　　1.測量了聚合物PMMA薄膜表面單分子的動力學特性，首次發(fā)現單分子的偶極再取向具有三種典型的跳躍模式，利用轉動關聯(lián)時間表征聚合物薄膜表面的動力學特征，測量獲得PMMA薄膜表面單分子的平均轉動關聯(lián)時間約為0.1s。
　　2.基于寬場熒光顯微鏡對單分子實現散焦光學成像，利用其成像的特征強度分布獲得單分子熒光發(fā)射的角分布特性，測量了單分子在聚合物薄膜中的平動與轉

5、動動力學，同時實現了多個分子的取向跟蹤測量。
　　3.利用50V/μm的電場強度操控PMMA聚合物薄膜中的染料單分子的熒光強度，通過測量單分子熒光強度對電場響應特性，發(fā)現分子熒光對電場響應的滯后效應以及分子熒光對電場操控存在的記憶效應。
　　4.首次將電流引入染料單分子/半導體納米粒子(ITO)系統(tǒng)中，觀察到了電流操控下的單分子熒光強度和壽命的變化，在10-50mA/mm2的電流強度作用下有效地熄滅或增強單分子的熒光輻射，數