埃级分辨的单分子拉曼和光致发光成像研究
发布时间：2021-06-23 13:40
用光实现原子尺度空间分辨一直是纳米光子学领域追求的终极目标之一,尽管这一目标由于衍射极限的制约曾被认为是遥不可及的。基于扫描探针显微术的针尖增强荧光和拉曼光谱技术的出现点燃了实现这一目标的希望。空间分辨率的极限不再受制于衍射极限,而是取决于实现探针下光场空间局域化的能力。当探针的尺寸和针尖与分子的距离减少时,光场的局域性会迅速增加。近期,针尖增强拉曼散射技术已经实现了亚纳米的空间分辨能力,那么这项技术的下一个挑战便是去探索它的分辨率极限以及如何去利用这项技术的优势。而与针尖增强拉曼散射技术中光散射过程不同,由于荧光在非常靠近金属时会发生淬灭效应,所以埃级分辨的针尖增强光致荧光成像尚未见报道,近场荧光成像的这一梦想目标还有待实现。在本论文的工作中,我们通过调控纳腔等离激元场的局域增强特性,不仅成功将单分子拉曼成像的空间分辨率推进到1.5 A的单个化学键水平,并据此发展出一种新的分子结构重构方法—“扫描拉曼埃分辨显微术”,而且结合分子电子态的脱耦合调控,实现了亚纳米（8 A）分辨的单分子光致发光成像,为在原子尺度上展现物质结构、揭示光与物质相互作用本质提供了新的技术手段。论文分为以下四个部...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：120 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．４量子隧穿原理ｓ??隧道结的电流与针尖和样品的距离有以下关系：??
?第一章绪论???排列成围栏，观察到电子驻波现象７。另一方面，ＳＴＭ不仅可以操纵原子，还可??以操纵分子。２００５年，Ｈｏｕ等人利用高能量的电子将ＣｏＰｃ分子的每个瓣上的２??个Ｈ原子打掉，对单个分子进行“化学手术”８。２０１６年，Ｄｏｎｇ等人利用针尖将??ＮａＣｌ上的两个单独的ＺｎＰｃ分子构筑成两聚体结构，成功观察到偶极耦合相互作??用９??ｃ??ｄ???ＢＨ??？?ＭＢＳ！??图１．５?ＳＴＭ操纵原子与分子６??１．１．２扫描隧道显微镜电子谱学测量??ＳＴＭ不仅能够提供高分辨的空间信息，还可以提供高能量分辨的电子谱学??信息。其中最常用到的是也／狀谱和谱，前者称为扫描隧道谱（Ｓｃａｎｎｉｎｇ??ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ?ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，?ＳＴＳ?），后者则称为非弹性隧穿谱（Ｉｎｅｌａｓｔｉｃ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ??ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ?ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，?ＩＥＴＳ）。谱一般是用来探测样品的局域态密度信息。??当对公式１．１进行求导时，可以获知沿７ｒｆＦ与样品和针尖的态密度成正比。假设??在我们感兴趣的能量区间，针尖没有明显的态密度分布，那么我们一般认为汾／ｄＦ??中测到的态密度是与样品有关的。如图１．６所示，当针尖费米面与样品的某个态??在能量上是齐平的，即针尖的电子可以弹性隧穿到样品的这个态中，导致隧穿电??流増大，在沿沒Ｆ谱中的这个能量处就会出现一个峰，也就是这个能量位置样品??出现一个态。一般情况下，沿／ＪＦ谱可以通过对Ｊ／Ｆ曲线进行数值微分获得或者??通过锁相放大技术获得。后者是通过在样品偏压Ｋ上加入一个很小的交流偏压??调制＆Ｃ０Ｓ如／），然后再测量变化的电流调制信号５。加入调
?第一章绪论???我们可以发现频率为必的那一项是正比于沿／ＪＫ的。这个结论只有在以??及／（Ｆ）曲线足够平滑时才成立。能量分辨率Ｆ＆应该不超过ｆｅｒ，典型值一般在几??百／／Ｋ左右。运用锁相技术的优势是它可以选择０使之不在机械振动或电噪音??的频率范围内，显著增强测量的灵敏度。??Ｅ?４?“??＾Ｆ，ｔｉｐ?－?ｃｆｙ??／?ｔ?Ｍａｎｉｐｌｅ??１?？?（?ｅＶ??＼?１?ｔ?＾Ｆ．ｓａｍｐｌｅ??Ｔｉｐ?Ｓａｍｐｌｅ??图１．６ｒｆ／／＜／Ｆ原理示意图??Ｗ／ｄ户谱是根据电子的非弹性隧穿原理得到的，它可以用来测量分子的振动??信息１Ｑ。原理如图１．７所示，当电子从样品或针尖的某一侧隧穿到另一侧时，虽??然绝大多数电子以弹性隧穿的方式进行，即没有损失能量的方式，但是还是有很??小一部分电子以非弹性隧穿的方式进行隧穿，它们损失的能量用来激发分子的振??动。土７／ｙｐ谱同样可以对沿／狀求导获得，或利用锁相放大技术来获得，与沿／狀??谱测量一次谐振信号不同的是，谱测量的是二次谐振信号。??ＳＴＭ－ＩＥＴＳ??Ｉ??ｅｌａｓｔｉｃ??－ｆＷｅ?＊?ｉｎｅｉａｓｔｉｃ??ＩＷｅ?Ｖ???Ｖ??／—??Ｅｆ?，?，??｝?＾?ｅｖ?－ＩＷｅ?ｆＷｅ?ｖ??Ｊｍ??Ｔｉｐ?Ｍｅｔａ！??Ｖａｃｕｕｍ?ｄＶ２??？ｒｗｅ?ｉ??ｆ?ｒｗｅ?Ｖ??图１．７ＩＥＴＳ原理示意图１０??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Visually constructing the chemical structure of a single molecule by scanning Raman picoscopy[J]. Yao Zhang,Ben Yang,Atif Ghafoor,Yang Zhang,Yu-Fan Zhang,Rui-Pu Wang,Jin-Long Yang,Yi Luo,Zhen-Chao Dong,J.G.Hou. National Science Review. 2019(06)
本文编号：3245038
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：120 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．４量子隧穿原理ｓ??隧道结的电流与针尖和样品的距离有以下关系：??
?第一章绪论???排列成围栏，观察到电子驻波现象７。另一方面，ＳＴＭ不仅可以操纵原子，还可??以操纵分子。２００５年，Ｈｏｕ等人利用高能量的电子将ＣｏＰｃ分子的每个瓣上的２??个Ｈ原子打掉，对单个分子进行“化学手术”８。２０１６年，Ｄｏｎｇ等人利用针尖将??ＮａＣｌ上的两个单独的ＺｎＰｃ分子构筑成两聚体结构，成功观察到偶极耦合相互作??用９??ｃ??ｄ???ＢＨ??？?ＭＢＳ！??图１．５?ＳＴＭ操纵原子与分子６??１．１．２扫描隧道显微镜电子谱学测量??ＳＴＭ不仅能够提供高分辨的空间信息，还可以提供高能量分辨的电子谱学??信息。其中最常用到的是也／狀谱和谱，前者称为扫描隧道谱（Ｓｃａｎｎｉｎｇ??ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ?ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，?ＳＴＳ?），后者则称为非弹性隧穿谱（Ｉｎｅｌａｓｔｉｃ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ??ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ?ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，?ＩＥＴＳ）。谱一般是用来探测样品的局域态密度信息。??当对公式１．１进行求导时，可以获知沿７ｒｆＦ与样品和针尖的态密度成正比。假设??在我们感兴趣的能量区间，针尖没有明显的态密度分布，那么我们一般认为汾／ｄＦ??中测到的态密度是与样品有关的。如图１．６所示，当针尖费米面与样品的某个态??在能量上是齐平的，即针尖的电子可以弹性隧穿到样品的这个态中，导致隧穿电??流増大，在沿沒Ｆ谱中的这个能量处就会出现一个峰，也就是这个能量位置样品??出现一个态。一般情况下，沿／ＪＦ谱可以通过对Ｊ／Ｆ曲线进行数值微分获得或者??通过锁相放大技术获得。后者是通过在样品偏压Ｋ上加入一个很小的交流偏压??调制＆Ｃ０Ｓ如／），然后再测量变化的电流调制信号５。加入调
?第一章绪论???我们可以发现频率为必的那一项是正比于沿／ＪＫ的。这个结论只有在以??及／（Ｆ）曲线足够平滑时才成立。能量分辨率Ｆ＆应该不超过ｆｅｒ，典型值一般在几??百／／Ｋ左右。运用锁相技术的优势是它可以选择０使之不在机械振动或电噪音??的频率范围内，显著增强测量的灵敏度。??Ｅ?４?“??＾Ｆ，ｔｉｐ?－?ｃｆｙ??／?ｔ?Ｍａｎｉｐｌｅ??１?？?（?ｅＶ??＼?１?ｔ?＾Ｆ．ｓａｍｐｌｅ??Ｔｉｐ?Ｓａｍｐｌｅ??图１．６ｒｆ／／＜／Ｆ原理示意图??Ｗ／ｄ户谱是根据电子的非弹性隧穿原理得到的，它可以用来测量分子的振动??信息１Ｑ。原理如图１．７所示，当电子从样品或针尖的某一侧隧穿到另一侧时，虽??然绝大多数电子以弹性隧穿的方式进行，即没有损失能量的方式，但是还是有很??小一部分电子以非弹性隧穿的方式进行隧穿，它们损失的能量用来激发分子的振??动。土７／ｙｐ谱同样可以对沿／狀求导获得，或利用锁相放大技术来获得，与沿／狀??谱测量一次谐振信号不同的是，谱测量的是二次谐振信号。??ＳＴＭ－ＩＥＴＳ??Ｉ??ｅｌａｓｔｉｃ??－ｆＷｅ?＊?ｉｎｅｉａｓｔｉｃ??ＩＷｅ?Ｖ???Ｖ??／—??Ｅｆ?，?，??｝?＾?ｅｖ?－ＩＷｅ?ｆＷｅ?ｖ??Ｊｍ??Ｔｉｐ?Ｍｅｔａ！??Ｖａｃｕｕｍ?ｄＶ２??？ｒｗｅ?ｉ??ｆ?ｒｗｅ?Ｖ??图１．７ＩＥＴＳ原理示意图１０??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Visually constructing the chemical structure of a single molecule by scanning Raman picoscopy[J]. Yao Zhang,Ben Yang,Atif Ghafoor,Yang Zhang,Yu-Fan Zhang,Rui-Pu Wang,Jin-Long Yang,Yi Luo,Zhen-Chao Dong,J.G.Hou. National Science Review. 2019(06)
本文编号：3245038
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