单分子与二维材料能量转移动力学特性的研究

Energy transfer is the main interaction between single molecule and its surroundings, and it determines the performance of the quantum devices. The project aims to investigate and manipulate the ultrafast energy transfer dynamics between single organic molecules and graphene. We statistical analyze on the fluorescence blinking of single molecules by utilizing the single-molecule detection, and investigate the energy transfer dynamics between single molecules and graphene. In addition, we combine with transient absorption spectroscopy to further reveal the electronic population of molecular ground state and excitation state, which can more fully understand the ultrafast energy transfer process between them. By changing the oxygen concentration around the single molecule on the graphene, the energy transfer efficiency of single molecules and graphene can be effectively controlled, and the energy transfer efficiency between them can be improved. The research lays the foundation for the preparation for optoelectronics devices between zero-dimensional and two-dimensional (0D-2D) hybrids.

能量转移是单分子与周围环境之间相互作用的主要形式，决定着量子器件的主要性能。本项目旨在研究有机单分子和石墨烯这个零维-二维材料超快的能量转移特性及操控。利用单分子探测技术，主要从单分子的荧光闪烁这个角度，研究单分子与石墨烯能量转移特性；此外，结合瞬态吸收光谱，进一步揭示分子基态和激发态的电子布局状态，可以更全面地理解二者之间能量转移这个超快的动力学过程。通过改变石墨烯片层上单分子周围环境的氧气浓度，从而实现对单分子和石墨烯之间超快的能量转移动力学过程进行有效操控，提高其能量转移效率。相关研究为进一步制备基于零维-二维材料的光量子器件奠定理论和技术基础。

能量转移特性是决定光电探测器、光电器件、发光二极管和太阳能电池等器件的重要影响因素之一。近些年，零维-二维材料结合可以发挥各自的优势，已经引起了人们的广泛关注。本项目围绕有机分子/量子点和氧化石墨烯混合体系超快的能量转移特性及其操控，开展了如下方面的研究工作：（I）外电场操控极性单分子的偶极取向极化特性研究。利用单分子光谱技术测量单个极性DiD分子荧光偏振特性的变化，发现3500 V/mm的电场方向与单分子样品表面平行时，掺杂在聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜中的取向随机分布的极性单分子荧光偏振方向呈现出双峰统计分布规律。（II）量子点和氧化石墨烯能量转移特性研究。光致还原氧化石墨烯的过程中，随着激光照射时间增加，氧化石墨烯被逐渐还原，其含氧量会降低，利用纳秒闪光光解光谱技术实时监测了它对硒化镉/硫化锌的核壳量子点瞬态吸收光谱的变化。随着激光照时间的增加，激子漂白信号在长波长和短波长处呈现不一样的时间尺度，并且强度也会发生变化，归因于二者的激子能量转移；而量子点的受激发射信号会先被淬灭，激发态吸收信号也会随之消失，是由于它们之间的荧光共振能量转移过程。对于掺锰硫化锌量子点而言，氧化石墨烯浓度的增加或者氧化石墨烯被还原均对它和氧化石墨烯的能量转移效率有所提高。量子点的缺陷态发光(荧光)要比锰离子发光(磷光)与氧化石墨烯的能量转移效率更高，效率可以达到90%以上。氧化石墨烯逐渐被激光还原，从而调节其能带结构，实现了量子点和氧化石墨烯能量转移过程的有效操控。（III）无机非铅钙钛矿量子点超快动力学特性研究。通过变温热注入的方式，合成了一系列近红外发光的双钙钛矿纳米晶，利用飞秒瞬态吸收光谱揭示了暗俘获态有利于钙钛矿纳米晶材料的近红外发光。本项目对体系超快能量转移动力学的研究为光电器件的制备提供理论及技术支持。