H钝化Si(100)表面卟啉分子隧道结电致发光特性研究

The important research direction for future information technologies is nanoscale silicon based optoelectronic integration, whose scientific basis lies in the control of the interaction between photons and electrons and has potential applications in nano-devices. In this project, we will use the experimental techniques which is called scanning tunneling microscope induced luminescence to study the nanoscale optoelectronics of molecules on semiconductor surface. Taking the high conjugated πtype porphyrin molecules as the research object, we will study the electroluminescence properties of molecules on the hydrogen terminated Si(100) surface and explore the optoelectronic behavior of molecules in a nano-enviroment,the interaction of molecules with surroundings and the energy decay kinetics of excited states. This will further deepen our understanding of the luminescence from molecels in the tunneling junction on the quantum scale, in particle regarding the inter-conversion and coupling between electron,exciton, phonon and photon. Meanwhile, we will investigate the influence of plasmon on the modulation of luminescence of molecules and get a deeply understand of the recombination mechanism of electron-hole pairs and the kinetic process of the energy transfer. The project is helpful for us to know the optoelectronics on the quantum scale and has directive significance to the fabrication of nanoscale optoelectronic device.

量子尺度的硅基光电集成是未来信息技术的重要方向，其科学基础是纳米尺度上的光电相互作用和转化，在纳米器件领域具有广泛的应用前景。在本项目中，我们将采用扫描隧道显微镜（STM）诱导发光技术，对纳米尺度下半导体表面分子的光电转化现象进行高分辨表征。项目选择含π共轭单元的卟啉类分子作为研究对象，利用STM高度局域化的隧穿电子，研究隧道结半导体Si(100)表面上分子的电致发光特性,探索分子在纳米环境中的光电行为以及分子与周围量子结构和环境之间的能量演化现象与机制。进一步从量子尺度上理解分子在隧道结中的发光现象，特别是隧道结中电子、激子、声子和光子之间的相互转化和耦合过程。探讨隧道结中等离激元对分子发光的调制现象和机理，更加深入地认识电子-空穴载流子的复合形成机制以及能量转移动力学过程。本课题将加深人们对量子尺度光电转化现象的认识，对纳米光电器件的制备具有重要的指导意义。

扫描隧道显微镜诱导发光技术是研究和探测纳米尺度下光电性质的重要工具。这种技术为我们提供了一种联系单分子电子学和单分子光电子学的实验手段,不仅能够获得隧穿电流的电学信息, 而且利用非弹性过程所产生的光子信息，可以帮助我们进一步理解隧道结中的各种电磁耦合与衰变信息，有助于我们探索分子在纳米环境中的光电行为，特别是纳米隧道结中的能量演化现象与机制。在本项目中，我们利用扫描隧道显微镜诱导发光技术，研究分子在隧道结中的电致发光现象。这有助于揭示电子、光子、激子和等离激元在纳米尺度下的耦合和转换机制。同时，我们利用太赫兹时域光谱初步开展载流子超快动力学研究，这为将扫描隧道显微镜和超快太赫兹波技术结合起来研究纳米尺度超快动力学奠定了基础。主要的研究结果如下：（1）我们对扫描隧道显微镜诱导发光关键技术进行了进一步的优化。利用此技术，研究了不同分子体系的高分辨扫描隧道显微镜诱导发光图像。（2）揭示了卟啉分子J形聚集体的扫描隧道显微镜诱导发光机制。J形聚集体由于表现出负偏压下的单极性发光，其发光机制可能为隧道结不对称性的载流子注入机制。（3）利用太赫兹时域光谱，观察到了锰氧化物薄膜的动态电子相分离过程，得到了相变动力学参数。（4）发展了电子气系统在外加磁场下的超快光电导模型。（5）通过太赫兹时域光谱，观察到了CoCr2O4单晶在外加磁场下的共振效应。