电流操控单分子界面电子转移动力学

Interfacial election transfer dynamics between organic dye single molecules and semiconductors plays a critical role because of the extensive applications in all sorts of molecular optical quantum devices. The project researches DiD single-molecule interfacial electron transfer dynamics by measuring fluorescence intensity and lifetime, and establishing the theoretical model for the process of interfacial electron transfer manipulated by using external electric current. We will study the restricted mechanism of electron transfer efficiency for anisotropic DiD single molecules in ITO semiconductor film under different temperature, air pressure and external field and so on; study the electron transfer characters between molecular energy levels and conduction band of ITO; and study electric current manipulating interfacial electron transfer dynamics in the low temperature. In this way, we would acquire the modulating mechanism of single-molecule interfacial electron transfer between molecular energy levels and semiconductor's conductor band, and the low temperature's(～4K) impact on interfacial electron transfer. Achieving the most effective manipulation for single-molecule interfacial electron transfer dynamics with the optimized experimental conditions, the rate of interfacial electron transfer will reach to 95%.

研究有机染料单分子与半导体材料界面的电子转移动力学特性对分子光量子器件等应用研究有着重要的作用。本项目通过测量分子荧光的强度和寿命变化的时间分辨荧光光谱研究单分子界面电子转移动力学特性，建立电流操控下的界面电子转移过程的微观物理模型；研究铟锡氧化物ITO半导体薄膜中各向异性的DiD单分子的电子转移效率受所处环境温度、气压以及外场等因素影响的物理机制；研究不同电流强度作用下的ITO半导体薄膜中的DiD单分子在分子能级和半导体导带之间的电子转移特性；研究通过半经典的电荷传输的理论模型来数值模拟电流操控下的界面电子转移特性。掌握单分子在电流操控下的界面电子转移在各分子能级和半导体导带之间受外部电流调制的机制以及低温环境（～4K）对单分子界面电子转移的影响，以优化的实验条件实现对单分子界面电子转移动力学的高效操控，界面电子转移率达到95%以上。

研究电场作用下的单分子与半导体纳米材料间的界面电子转移动力学的本质特性对制备分子光量子器件等应用研究有着重要的作用。本项目围绕电场操控下的单量子体系与半导体等纳米材料间的界面电子转移动力主要开展了如下方面的工作：1）利用外场操控界面电子转移来有效地实现对单分子荧光强度和荧光寿命的操控。实验测量了制备在ITO半导体纳米材料中的DiD单分子的荧光强度和荧光寿命分布，建立了电流作用下的ITO半导体纳米材料中的DiD单分子电子转移动力学的理论模型，研究了ITO半导体的导带、价带与单分子的基态、激发态进行的电子转移特性。电流操控单分子荧光强度的变化率可达95%以上，单分子荧光寿命的变化率可达20%以上。2）电场操控聚合物基质中单分子的荧光强度。通过单分子荧光的电场调制特性研究了单分子与周围基质之间的电子转移特性，研究结果显示 0.75MV/cm的电场可以对聚合物基质中58%的单分子的荧光进行调制，平均调制深度为可达0.38。根据电子转移引起的单分子荧光变化，发现聚合物在电场作用下的电子极化和取向极化效应及单分子荧光对电场响应的滞后效应。3）利用外电场操控基片上的裸单分子的荧光特性。利用强度约为～1kV/mm可以完全熄灭制备在基片上的单分子荧光，统计显示熄灭单分子需要的平均电场强度约为0.59kv/mm。电场作用下的裸单分子展示出可逆的零场“ON”态和强电场“OFF”态的荧光开关特性，该开关特性源于该单分子内的电子转移。4）ITO半导体纳米材料中的单量子点的电子转移动力学特性。N 型的ITO纳米粒子可以通过电子转移的方式使量子点带负电荷，进而可以有效地抑制单量子点的荧光闪烁特性；单量子点荧光的亮、暗态持续时间的概率密度分布服从指数截止的幂律特性；研究发现处于ITO 中的单量子点比玻璃基片上的单量子点荧光亮态持续时间提高2个数量级, 掺杂于ITO 中的单量子点的荧光寿命约减小为玻璃基片上的单量子点的荧光寿命的41%，且寿命分布宽度减小50%。5）电场作用下量子点与氧化石墨烯的电子转移特性。研究了单层氧化石墨烯荧光、透射光谱在外场作用下的可逆性，其中透射光谱的调制深度达25%；研究了氧化石墨烯含氧官能团在电场极化效应影响下的电子局域态密度的变化及其拉曼光谱与光学透射率开关特性等。本项目的研究结果可以为分子光量子器件的研发提供实验和理论基础。