中国科学院物理研究所表面5组-研究方向-表面单分子激发态动力学研究

表面单分子激发态动力学研究

原子和分子是构建物质世界的基本组成单元。许多重要的过程，包括大多数的化学反应和生物反应，都是在单个原子或单个分子的层次上发生的。利用单个分子的物理性质还可以设计高度灵敏的传感器和信息运算器件。例如，根据摩尔定律，微电子器件的密度不断提高，单个器件的尺寸在不久的将来将达到单个分子或原子的尺度。传统的硅三极管技术将遭遇漏电流和高功耗引起的巨大困难。由于单分子器件具有体积小、操纵可靠、低能耗等潜在优势，设计基于单分子的电子器件将是一种可能的解决方案。另外，利用单个分子磁体设计量子比特也被人们提出并广受关注。因此，在单个分子的层次上研究这些动力学过程，探测单个分子的反应运动规律，操纵单个分子的空间位置和物理性质，控制局域环境对单个分子的影响，对于探索微观尺度基本规律、发展新型应用都具有非常重要的意义。

图1：超快激光耦合STM示意图。

由于单分子体系具有尺度小、反应时间快两个重要的特征，单分子动力学过程的研究面临着重要的技术挑战。对于简单的分子，其尺度通常在纳米量级上，传统的光学显微镜无法提供足够高的空间分辨率。单分子动力学过程通常在纳秒（单分子荧光过程）到飞秒量级（分子轨道能级跃迁）。普通的电子学系统很难用来直接观测如此快的动力学过程。具极限灵敏度的实验技术手段是单分子动力学过程研究的关键。在空间分辨率方面，扫描隧道显微镜可以提供原子级的极限空间分辨。在时间分辨方面，超快激光泵浦-探测技术可以实现皮秒甚至飞秒的分辨率。这些实验手段为我们在单分子尺度上深入探索微观世界提供了重要基础。更进一步地，超快激光耦合STM技术（图1）的研究和开发，使得在原子级空间分辨和亚皮秒时间尺度上对单个分子进行研究成为可能。这一功能将有望实现对单分子体系中超快物理和化学过程的探测，尤其是动态瞬时和中间非平衡态过程。

图2：深紫外激光原位时间分辨隧道电子谱仪

本研究组自2007年起，承担国家重大科研装备研制项目子课题 “深紫外激光原位时间分辨隧道电子谱仪的研制”，并于2012年4月完成验收。该谱仪（图2）是目前国际上首台将深紫外激光与STM系统耦合的设备。深紫外激光的光子能量使得探测小纳米系统（尺度在1－10纳米量级）的激发态成为可能。与国际上已有的光耦合扫描隧道显微镜相比，本谱仪在激光能谱及深紫外激光时间分辨率（85飞秒）等方面具有显著优势。这一仪器的研制，为分子和纳米体系电子激发态和动力学过程的定位定时诱导、探测、和量子调控等研究提供全新的研究手段，对理解电子激发过程在凝聚态物理学、表面物理化学、生物科学中相关的基本现象起到推动作用。同时，对新一代纳米材料和器件、可控纳米体系光学吸收和能源转换的机理探索、及纳米光催化、太阳能电池等应用领域的研究也具有重要的意义。