单原子尺度研究有机分子功能材料中的电荷转移

在当今能源短缺和环境危机的大背景下，研制和开发新的基于有机分子功能材料的光电子器件对国民经济的可持续发展具有重要的科学意义和实用价值。而围绕这些新型的光电子器件的一个核心问题是在电场或光照条件下有机分子之间或与电极之间的电荷转移过程。本项目拟在单原子尺度上实验研究这些电荷转移过程并探讨其机理，特别是光诱导的电荷转移。我们采用的主要研究工具是在超高真空条件下的低温和变温扫描隧道显微镜以及它和光学技术的结合。我们将不仅利用扫描隧道显微镜的高空间和能量分辨对有机分子结构和排列进行原子成像和能谱分析，而且创新性地通过和光学技术的结合在单原子尺度研究光诱导的电荷转移以及由电荷转移引起的新奇物理现象。项目的研究将不仅有助于理解基于有机分子功能材料结构中的电荷转移过程，为研制和开发新一代的光电子器件进行探索；而且也可促进物理、化学、材料、微纳光电子学等学科的交叉融合，有着重要的学术意义。

本项目围绕开发和利用与光学技术相结合的扫描隧道显微镜技术这一崭新的实验研究手段以期在单原子尺度研究研究有机分子功能材料超薄薄膜的物性。在三年的项目执行期间，研究团队自主设计和研发了一套和超快飞秒激光、单光子敏感CCD光谱仪相结合的无液氦致冷变温、低温超高真空扫描隧道显微镜。这套大型系统不仅可以完成高端商业低温扫描隧道显微镜的原子级空间分辨成像能力和局域扫描隧道谱分析，而且还可以在不需要消耗任何液氦的条件下在单个分子上获得非弹性二阶扫描隧道谱。无液氦非弹性二阶扫描隧道谱的功能开发系世界首次，并已申请国家发明专利。鉴于最新国际科学研究的动向，项目团队利用这套大型仪器的独特功能把最初对有机分子超薄薄膜的研究转而调整为对具有单原子层厚度的超薄二维量子功能材料的研究，包括寡层二硫化钼和石墨烯。其中，项目团队发现单层二硫化钼材料可以像纸一样折叠，发展出自然结晶或外延生长所无法获得的双层结构，进而可以操控二硫化钼中结构对称性和层间耦合作用，使得原本单层二硫化钼中自旋和能谷赝自旋自由度的锁定在双层折叠二硫化钼中可实现自由度独立。相关学术论文发表在2014年的Nature Nanotechnology上。回顾本项目的执行情况，本项目的意义主要有三点：1. 单从自行设计和研制的无液氦变温超高真空扫描隧道显微镜来说，它解决了目前高端精密低温扫描隧道显微镜在运行时长期依赖于稀缺昂贵的液氦消耗；2. 和超快飞秒激光、单光子敏感CCD光谱仪联机的无液氦变温扫描隧道显微镜系统为研究超薄的单原子层二维量子材料提供了新技术和新方法；3. 项目团队的研究生们作为项目执行的主体在项目负责人的指导下通过完成本项目的研究任务得到了多方面的学习和锻炼，培养了一支有国际竞争力的青年研究队伍。