STM技术揭示单分子电致上转换发光机理

　　最近，中国科学技术大学单分子科学团队的董振超研究小组，通过扫描隧道显微镜（STM）诱导单分子电致发光技术，首次清晰地展示了单个分子在电激励下的上转化发光行为，并通过与深圳大学教授李晓光等合作，从理论上揭示了其微观机制。国际物理学术期刊《物理评论快报》于5月3日在线发表了这项成果。

　　上转换发光通常指材料吸收低能光子但发出高能光子的反斯托克斯过程，这一现象在激光信息技术、红外探测、生物医学等领域有巨大的应用前景。电激励下的上转化发光过程中，有机分子吸收由STM注入的低能电子，并在其弛豫过程中发射出高能光子。这一过程涉及分子电子能态、分子间以及分子与周围环境间的相互作用，深入理解这些相互竞争与制约的微观过程，对其在有机光电转换器件、光催化和光合成等方面的应用有着至关重要的意义。

　　 中国科大单分子科学团队长期致力于发展将STM高空间分辨表征与光学技术高灵敏探测相结合的技术，特别是通过巧妙调控隧道结纳腔等离激元的宽频、局域与增强特性，拓展了测量极限，为在单分子水平上观测和调控分子的光电行为提供了有力手段。他们利用高度局域化的隧穿电子作为激发源，研究了氯化钠脱耦合层表面上的单个酞菁分子的电致荧光，不仅发现了反常的电致上转换发光现象，还清晰地展示了分子发光强度的三个不同偏压区域。尤其值得指出的是，该工作在单分子水平上观测到电致上转换发光现象，有力排除了此前对这类体系中上转换机制的一些猜测，同时不同偏压区域的观测也为分析和理解上转换机制提供了丰富的数据。以此为基础的理论分析进一步表明，两种不同的分子激发机制——非弹性电子散射和载流子注入——之间的微妙竞争导致了不同偏压区域不同的发光现象。基于对上述两种激发机制以及对系统其它潜在激发态的定量分析，研究团队首次提出了以自旋三重态作为中间过渡态，同时结合非弹性电子散射和载流子注入两种激发过程的单分子上转换发光机制。

　　该系列研究工作得到基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省等的支持。

图注：(a) STM诱导单分子电致发光的实验构型示意图；(b) 三种不同偏压下单分子电致发光光谱，展示了单分子的上转换发光现象；(c) 单分子电致发光强度的偏压依赖关系。