基于隧穿效应单分子器件的高时间分辨率电输运表征方法

本发明涉及材料测试，尤其涉及一种基于隧穿效应单分子器件的高时间分辨率电输运表征方法及装置。

背景技术：

1、有机分子材料在发挥其功能的过程中，往往伴随着激发态的能量和电荷的转移，而有机分子材料工作的触发方式包括光激励和电激励两种。从单分子尺度对有机分子材料的深入研究，有助于我们了解光场、电场与有机分子材料功能之间的底层机制，以此为新材料、新器件的设计和制备提供重要指导。

2、然而，在时间尺度上，现有的电学表征方法其时间分辨率仅能达到微秒（μs）或纳秒（ns）量级，分子在激发态下能量和电荷的转移过程往往持续数皮秒（ps），甚至只持续数飞秒（fs）。

3、将电学表征方法的时间分辨率推进到皮秒或飞秒这一量级，对深入解析和揭示这些超快过程的作用机制至关重要。在空间尺度上，体相分子材料性能往往体现为有机分子在宏观尺度上组装和聚集之后的统计结果，分子的“本征”电学性质难以被直接测量。而单分子尺度下的电学表征提供了对物质组成最基本的结构单元“本征”状态的深入认识。实现单分子尺度光电过程的超快电学表征，无论对于分子激发态能量和电荷转移的基础研究，还是对单分子超快光电子器件和高性能有机光电材料的前沿应用研究，都具有重要的科学价值。

技术实现思路

1、本发明实施例通过提供一种基于隧穿效应单分子器件的高时间分辨率电输运表征方法及装置，解决了现有技术缺乏对单分子纳秒级以上（包括皮秒级、飞秒级等）超快电输运表征的技术问题。

2、第一方面，本发明通过本发明的一实施例，提供了一种基于隧穿效应单分子器件的高时间分辨率电输运表征方法，应用于单分子器件电输运表征系统，所述系统包括：激光器、光参量放大器、光脉冲延迟装置、分束镜、非线性光学晶体、斩波器、光电探测装置、单分子器件构筑装置、锁相放大器以及信号控制采集装置；

3、所述方法包括：

4、利用所述基于隧穿效应的单分子器件构筑装置对待测材料进行处理以制备得到单分子器件，并建立所述单分子器件与所述锁相放大器的电性连接，以及建立所述锁相放大器与所述信号控制采集装置的电性连接；

5、控制所述激光器产生激光，并利用所述分束镜将激光分为第一子光束以及第二子光束；

6、利用所述光参量放大器对所述第一子光束的波长进行转换，并利用反射镜将所述第一子光束照射到所述单分子器件上；利用多个所述光脉冲延迟装置、非线性光学晶体以及斩波器延长所述第二子光束照射到所述单分子器件的时刻；

7、利用所述第一子光束与所述第二子光束重叠形成的泵浦探测脉冲对作用于所述单分子器件，并通过所述信号控制采集装置获取所述单分子器件的电输运性质。

8、作为一种可选的实施方式，所述基于隧穿效应单分子器件的高时间分辨率电输运表征方法，还包括：利用所述斩波器的转动频率调制所述激光的脉冲作用频率，以确保光电流的发生频率在所述信号控制采集装置的带宽内。

9、作为一种可选的实施方式，所述基于隧穿效应的单分子器件构筑装置包括：基底、压电陶瓷以及设置在所述压电陶瓷上的针尖；所述利用所述单分子器件构筑装置对待测材料进行处理以制备得到单分子器件，包括：

10、基于扫描隧穿裂结技术控制所述压电陶瓷伸缩运动，以使所述针尖与所述基底接触或断开；当所述针尖以及所述基底处于含有所述待测材料的溶液环境中时，所述待测材料与所述针尖形成共价或非共价键连接，且所述待测材料与所述基底形成共价或非共价键连接，制备得到所述单分子器件。

11、作为一种可选的实施方式，所述基于隧穿效应的单分子器件构筑装置包括：电极、基底、金属导线以及顶杆；所述利用所述单分子器件构筑装置对待测材料进行处理以制备得到单分子器件，包括：

12、基于机械可控裂结技术控制所述顶杆运动使固定在所述电极与所述基底之间的所述金属导线断开，断开的金属导线处于含有所述待测材料的溶液环境中时，所述待测材料与所述金属导线的断面形成共价或非共价键连接，制备得到所述单分子器件。

13、作为一种可选的实施方式，所述利用所述基于隧穿效应的单分子器件构筑装置对待测材料进行处理以制备得到单分子器件，包括：利用微纳加工方法在导电材料上构建形成预设间隙的电极对，并在所述电极对中组装分子以制备得到所述单分子器件。

14、作为一种可选的实施方式，在所述制备得到所述基于隧穿效应的单分子器件之后，所述方法还包括：通过改变所述单分子器件两端的电压，比较电压改变前的电导值与电压改变后的电导值之间的误差是否小于预设阈值，判断所述单分子器件是否有效。

15、作为一种可选的实施方式，在所述制备得到所述基于隧穿效应的单分子器件之后，所述方法还包括：不间断获取所述单分子器件两端的电导值、光电流信号以及电学噪声；通过所述电导值、所述光电流信号以及所述电学噪声判断所述单分子器件是否有效。

16、作为一种可选的实施方式，在所述制备得到所述基于隧穿效应的单分子器件之后，所述方法还包括：利用二维光电流成像装置获取所述单分子器件的二维光电流成像图，并通过所述二维光电流成像图判断所述单分子器件是否有效。

17、第二方面，本发明通过本发明的一实施例，提供了一种基于隧穿效应单分子器件的高时间分辨率电输运表征系统控制装置，应用于单分子器件电输运表征系统，所述系统包括：激光器、光参量放大器、光脉冲延迟装置、分束镜、非线性光学晶体、斩波器、光电探测装置、单分子器件构筑装置、锁相放大器以及信号控制采集装置；

18、所述控制装置包括：

19、单分子器件制备单元，用于在建立所述单分子器件与所述锁相放大器的电性连接，以及建立所述锁相放大器与所述信号控制采集装置的电性连接之后，利用所述单分子器件构筑装置对待测材料进行处理以制备得到单分子器件；

20、光束产生单元，用于控制所述激光器产生激光，并利用所述分束镜将激光分为第一子光束以及第二子光束；

21、光束控制单元，用于利用所述光参量放大器对所述第一子光束的波长进行转换，并利用反射镜将所述第一子光束照射到所述单分子器件上；利用多个所述光脉冲延迟装置、非线性光学晶体以及斩波器延长所述第二子光束照射到所述单分子器件的时刻；

22、数据获取单元，用于利用所述第一子光束与所述第二子光束重叠形成的泵浦探测脉冲对作用于所述单分子器件，并通过所述信号控制采集装置获取所述单分子器件的电输运性质。

23、第三方面，本发明通过本发明的一实施例，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的代码，所述处理器执行所述代码时实现第一方面中的任一实施方式。

24、本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

25、控制激光器产生激光，并利用分束镜将激光分为第一子光束以及第二子光束。接着利用光参量放大器对第一子光束的波长进行转换，并利用反射镜将第一子光束照射到单分子器件上。以及利用多个光脉冲延迟装置延长第二子光束照射到单分子器件的时刻、利用非线性光学晶体进行光波长以及偏振属性的控制、利用斩波器将光电流信号频率调制成电路带宽内。

26、最后利用第一子光束与第二子光束重叠形成的泵浦探测脉冲对作用于单分子器件，并通过信号控制采集装置获取单分子器件的电输运性质。本发明实施例能够依托单分子电学测量技术实现多次、重复的受激单分子器件的高效构筑和高通量表征，极大地拓展了材料研究体系的普适性。还能够获得与泵浦脉宽相当的时间分辨率，突破了电学表征以及光谱学表征的瓶颈。