《低維小系統電致發光的原子尺度操控研究》是依託北京大學，由江穎擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：低維小系統電致發光的原子尺度操控研究
- 依託單位：北京大學
- 項目負責人：江穎
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
近年來，隨著微電子工業的迅猛發展和器件尺寸的持續縮小，納米光電器件的性能越來越依賴於微觀原子結構和局域環境，因此，如何在單原子/分子尺度上對器件的電光效應進行精確調控顯得非常重要。掃描隧道顯微鏡（STM）由於其在原子尺度上的精確操縱能力，成為了對低維小系統進行量子調控的理想工具。另一方面，STM的針尖可以高度局域的向單分子和納米結構中注入處於激發態的電子/空穴，通過電-光轉換誘導光發射，從而在原子尺度上得到體系的光譜信息。基於此，本項目將利用集成了光學探測手段的STM，對生長在絕緣體表面上的低維小系統的發光特性在原子尺度上進行表征。並在此基礎上發展STM針尖在絕緣體表面的操縱技術，通過對低維小系統的微觀結構和隧道結納腔等離激元進行可控調節，從而達到對單分子和納米結構的電致發光特性進行操控的目的，以期能為納米光電器件和納米電漿器件的發展和套用提供新思路和參考。
結題摘要
該項目搭建了一套“超快雷射—超高真空低溫掃描隧道顯微鏡聯合系統”，使得單分子尺度上的發光光譜和超快動力學探測成為可能。我們利用該系統圍繞絕緣體和金屬表面上的單分子體系，進行了高分辨成像、操控、譜學和動力學研究，取得了一系列重要研究成果。一方面，我們對一種廣泛套用於分子電子學電致發光研究的巰基π-共軛分子 (1,4-bis[4’-(acetylthio)styryl]benzene) 實現了化學鍵的選擇性操縱，為單分子發光特性的精確調控提供了重要手段和途徑。通過向單分子內部注入空間局域、能量可調的隧道電子，利用共振電子激發技術，我們分步把分子中四個不同的官能團逐個剝離，同時在能量空間和實空間中監測每一個化學鍵的斷裂對分子電子結構的影響。基於可控的斷鍵，進一步利用掃描隧道顯微鏡的原子操縱技術，精確的操控表面上的金原子，使其與分子中的硫原子結合併形成化學鍵，從而人為構造出了一個“電極-分子-電極”的單分子結。我們發現，Au-S鍵的空間構型和分子的對稱性共同決定了成鍵的類型：共價鍵或者配位鍵；同時，Au-S相互作用是非局域的，其對整個分子的電子結構有著很大的影響，表現為分子共振態的展寬和能級的移動。另一方面，我們成功的把掃描隧道顯微鏡的亞分子級分辨成像和操控技術套用到水科學領域，實現了水分子的亞分子級分辨成像，使得在實空間中直接解析水的氫鍵網路構型成為可能。我們在水分子與金屬襯底之間插入絕緣體超薄膜來減弱水分子與襯底之間的耦合，從而使水分子本徵的軌道結構得以保留，同時我們把掃描隧道顯微鏡的針尖作為頂柵極，通過控制針尖與水分子的耦合，增強水分子的軌道態密度在費米能級附近的分布，從而在NaCl(001)薄膜表面上獲得了單個水分子和水團簇的亞分子級分辨軌道圖像，實現了對水分子的空間取向和水團簇的氫鍵方向性的直接識別。利用該技術，我們進一步解析了鹽表面上二維冰層的氫鍵構型，首次發現了一種完全不同於體態凍的新型二維雙層冰結構，這種冰結構的表面存在著高密度周期性排列的缺陷與不飽和氫鍵，完全違背了人們普遍接受的“冰規則”（Bernal-Fowler-Pauling ice rules），豐富了人們從前對固體表面冰結構的微觀認識。
