單分子動力學(xué)特性的測量及操控.pdf

1、經(jīng)過二十多年的發(fā)展，單分子光譜學(xué)已經(jīng)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(xué)、生物和材料科學(xué)中的各類相關(guān)問題。單分子消除了系綜平均，可以作為一個納米光學(xué)探針探測它們所處局部環(huán)境的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)信息，這些信息對研究復(fù)雜的聚合物材料或其他種類的復(fù)雜物質(zhì)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(xì)圖像，展示了局部環(huán)境的異構(gòu)和異于系綜平均的信息。染料熒光單分子已經(jīng)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(guān)，同時這種有機(jī)染料分子材料能夠用于下一代的半導(dǎo)體器件，如有機(jī)發(fā)光二極管、有機(jī)場效應(yīng)管和有機(jī)太陽能電池等。研究有機(jī)單分子與金屬、半導(dǎo)體等材料之間的相互作用以及對電場、電流的響應(yīng)特性可以為制備分子量子器件與分子器件奠定理論基礎(chǔ)與技術(shù)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(nèi)部的動力學(xué)特性，并分別利用電場和電流來操控分子的動力學(xué)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(jī)擴(kuò)散運(yùn)動的性質(zhì);基于共焦掃描光學(xué)實驗系統(tǒng)和熒光偏振探測相結(jié)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(xué)特性;通過散焦成像和環(huán)形照明的技術(shù)手段測量了單分子在聚合物薄膜中的轉(zhuǎn)動動力學(xué)。研究了電場作用下單分子的熒光偏振度和熒光發(fā)射強(qiáng)度的變化，并通過建立相關(guān)的理論模型解釋了觀察到的實驗現(xiàn)象。研究了有機(jī)染料分子/半導(dǎo)體納米粒子系統(tǒng)中系綜分子和單分子的界面電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)特性;測量了電流作用下的單分子熒光強(qiáng)度和熒光壽命的變

4、化，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了數(shù)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(xué)特性，首次發(fā)現(xiàn)單分子的偶極再取向具有三種典型的跳躍模式，利用轉(zhuǎn)動關(guān)聯(lián)時間表征聚合物薄膜表面的動力學(xué)特征，測量獲得PMMA薄膜表面單分子的平均轉(zhuǎn)動關(guān)聯(lián)時間約為0.1s。
　　2.基于寬場熒光顯微鏡對單分子實現(xiàn)散焦光學(xué)成像，利用其成像的特征強(qiáng)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(zhuǎn)

5、動動力學(xué)，同時實現(xiàn)了多個分子的取向跟蹤測量。
　　3.利用50V/μm的電場強(qiáng)度操控PMMA聚合物薄膜中的染料單分子的熒光強(qiáng)度，通過測量單分子熒光強(qiáng)度對電場響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)分子熒光對電場響應(yīng)的滯后效應(yīng)以及分子熒光對電場操控存在的記憶效應(yīng)。
　　4.首次將電流引入染料單分子/半導(dǎo)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(qiáng)度和壽命的變化，在10-50mA/mm2的電流強(qiáng)度作用下有效地熄滅或增強(qiáng)單分子的熒光輻射，數(shù)