隧穿電子誘導(dǎo)的單分子單光子發(fā)射研究.pdf

1、單光子光源一直是量子信息技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域研究的核心問題之一?，F(xiàn)有的研究已經(jīng)在多種單量子體系（量子點(diǎn)、原子、離子、分子、色心等等）實(shí)現(xiàn)了單光子發(fā)射。在這些體系中，分子單光子源具有出豐富的頻率選擇和穩(wěn)定、全同的光譜特征，表現(xiàn)出成為實(shí)用化單光子源的潛質(zhì)。在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的單光子發(fā)射體系中，受到光的衍射極限和電激勵(lì)器件尺寸的限制，往往需要借助分散手段構(gòu)建低密度光源避免同時(shí)激發(fā)多個(gè)發(fā)光體而產(chǎn)生多光子事件。另一方面，電泵納米光源和單光子源對于納米光電集成十分

2、重要，但嵌在兩個(gè)金屬納米電極之間的單個(gè)孤立的分子是否能發(fā)光、其發(fā)光特性是否為單光子發(fā)射卻一直沒有被證實(shí)，更不用說在納米尺度上表征和調(diào)控單光子光源。
　　在本論文的工作中，我們利用掃描隧道顯微鏡的高度局域的隧穿電子激發(fā)及其亞納米分辨能力，可以選擇性地激發(fā)樣品表面孤立的單個(gè)分子，并借助隧道結(jié)內(nèi)納米尺度的等離激元局域場增強(qiáng)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了單分子電致熒光。我們進(jìn)一步對單分子電致熒光的出射光子強(qiáng)度的二階相關(guān)性進(jìn)行檢測，證實(shí)了單分子電致發(fā)光過程表

3、現(xiàn)出光子反聚束效應(yīng)，是一種單光子發(fā)射現(xiàn)象。此外，這種單分子單光子輻射特性還可以通過改變納腔尺寸結(jié)構(gòu)和在納米尺度操縱分子光源的構(gòu)造進(jìn)行調(diào)控和優(yōu)化。
　　本論文由下面四章構(gòu)成，各個(gè)章節(jié)的主要內(nèi)容如下:
　　第一章主要介紹全文相關(guān)的背景。我們首先從表面等離激元的概念引入，強(qiáng)調(diào)了納腔等離激元的增強(qiáng)效應(yīng);然后簡單介紹了掃描隧道顯微鏡(STM)和掃描隧道顯微鏡誘導(dǎo)發(fā)光技術(shù)(STML)，并對實(shí)現(xiàn)掃描隧道顯微鏡誘導(dǎo)分子發(fā)光所需要的兩個(gè)必要條

4、件—納腔等離激元共振增強(qiáng)和脫耦合層隔絕熒光淬滅—進(jìn)行了闡述;隨后我們介紹了單光子源的物理背景、技術(shù)測量手段和獲得方式;最后，綜合以上內(nèi)容論證了利用STML技術(shù)實(shí)現(xiàn)單分子單光子發(fā)射的創(chuàng)新性和可行性，并介紹了實(shí)驗(yàn)中實(shí)際所使用的STM和光學(xué)檢測手段。
　　在第二章中，我們首先研究了氧化銅作為脫耦合層實(shí)現(xiàn)單分子電致熒光的可能性，實(shí)驗(yàn)中選取的熒光分子是并五苯和H2TBPP。我們發(fā)現(xiàn)，單個(gè)并五苯分子在氧化銅表面的吸附表現(xiàn)出很高的選擇性，但分子

5、本征熒光仍然被淬滅，不過分子對襯底的等離激元發(fā)光具有偏壓依賴的強(qiáng)度調(diào)制關(guān)系:正偏壓下分子對等離激元發(fā)光有增強(qiáng)作用，而負(fù)偏壓下則是抑制作用。這種偏壓依賴的關(guān)系可以用表面和分子在正負(fù)偏壓區(qū)間不同的電子態(tài)強(qiáng)度分布來解釋。氧化銅表面隨后蒸鍍的部分H2TBPP分子團(tuán)簇能夠表現(xiàn)出分子發(fā)光的特征，說明氧化銅作為脫耦合層具有一定程度的絕緣效果，能夠?qū)崿F(xiàn)稍高位置的分子熒光。
　　在第三章中，我們選用介電常數(shù)更高、絕緣效果更好的NaCl薄膜作為脫耦合

6、層，選擇ZnTPP分子作為熒光分子研究了單分子電致發(fā)光。利用原位分子熱蒸發(fā)的技術(shù)，我們可以可控地使得ZnTPP分子在NaCl薄膜表面以單個(gè)形式存在，高分辨的STM圖像證明了這種樣品結(jié)構(gòu)。隨后，我們成功地在ZnTPP分子上實(shí)現(xiàn)了單分子的電致熒光，值得注意的是，ZnTPP的分子熒光僅在負(fù)偏壓下出現(xiàn)。我們對ZnTPP分子的熒光進(jìn)行了輻射特性的測量，結(jié)果表明出射光子被納腔垂直方向極化而形成沿探針方向的線偏振。由于該體系下ZnTPP分子的熒光強(qiáng)度

7、仍然不夠強(qiáng)，因此我們未能得到信噪比足夠的二階相關(guān)函數(shù)測量數(shù)據(jù)。本章的實(shí)驗(yàn)工作成功實(shí)現(xiàn)了單分子電致熒光，并證明了NaCl薄膜作為脫耦合層的優(yōu)越性質(zhì)，為后續(xù)單分子單光子發(fā)射實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
　　在第四章中，我們對第三章的實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行改進(jìn)，一方面構(gòu)造更多層的NaCl薄膜實(shí)現(xiàn)更好的脫耦合效果，另一方面將熒光分子換成在NaCl體系下發(fā)光強(qiáng)度更強(qiáng)的酞菁類分子(H2Pc、ZnPc)，從而實(shí)現(xiàn)了電致單分子單光子發(fā)射。在這個(gè)體系中我們發(fā)現(xiàn)，四層Na

8、Cl上酞菁分子的STM電致熒光表現(xiàn)出強(qiáng)度足夠高的單分子電致發(fā)光。我們對發(fā)射光子的二階相關(guān)函數(shù)進(jìn)行了檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，四層NaCl上的單個(gè)H2Pc或ZnPc分子的光子發(fā)射均表現(xiàn)出明顯的光子反聚束效應(yīng)，具有顯著的單光子發(fā)射特性，而且最好的單光子發(fā)射純凈度可以達(dá)到g2(0)=0.09。g2(0)的值沒有理想地降到零可能是因?yàn)镠BT測量系統(tǒng)時(shí)間分辨率不夠和極少量等離激元輻射光子的影響。表面上同種分子在光譜和二階相關(guān)函數(shù)上表現(xiàn)出幾乎全同的特性。