近日，中國科學技術大學侯建國院士單分子科學團隊的董振超、張楊研究小組與燕山大學田廣軍研究組合作，利用掃描隧道顯微鏡誘導發光技術，對單個分子內電子-振動態發光進行了亞納米分辨的成像表征，首次從實空間直接觀察到了分子振動對電子態及其躍遷的影響，并結合理論計算，揭示了電子-振動耦合如何影響電子躍遷和分子光譜的微觀機制，為理解電子-振動耦合和分子光譜提供了重要的基本科學信息。相關研究成果在線發表在《自然-通訊》上。
分子系統中的電子-振動耦合，即電子運動與核運動間的相互作用，是電子躍遷和分子光譜學的核心問題，對研究分子間相互作用和能量轉移至關重要。通常而言，由于電子的質量比原子核小3至4個數量級，電子的運動速度要比原子核快得多，因此在Born-Oppenheimer近似下，分子核構型在電子躍遷過程中被認為是靜止的，體系波函數中電子波函數與原子核振動波函數可以分開處理。此外，傳統的Franck-Condon（FC）原理還認為，分子特定電子-振動躍遷的強度與這種垂直躍遷中電子基態和激發態的振動波函數的重疊積分（即FC因子）成正比，躍遷偶極取向一般也認為是與純電子躍遷一致的。實際上，分子骨架的動態運動有可能對分子電子態波函數產生較大影響，使其發生畸變，進而誘導出原電子態對稱性所禁阻的躍遷。由于亞分子分辨光譜成像極具挑戰，而且這類偶極禁阻躍遷的強度通常又比較微弱，因此，迄今為止，分子內電子-振動耦合的微觀圖像難以直接獲得，關于分子振動對分子內電子分布和電子躍遷會產生什么樣的影響、如何產生影響的基本科學問題，仍缺乏清晰直觀的認識。
該團隊利用自主研發的納腔等離激元增強的亞納米分辨電致熒光成像技術，以具有各向異性線性結構的并五苯分子作為模型研究對象，利用局域隧穿電子的激發從實空間研究了單個并五苯分子的分子內電子-振動耦合特性。研究發現該分子表現出豐富有趣的具有明顯位置依賴關系的電子-振動發光特性（如圖），觀察到常規的由FC貢獻主導的、與純電子態間的0-0躍遷峰具有相同成像圖案取向的電子-振動峰（如v1），并發現有些電子-振動峰（如v2）的成像特征與0-0峰明顯不同，雙點亮斑圖案旋轉了90度，從沿分子短軸方向變為沿分子長軸方向。這種圖案差異直接反映了分子躍遷偶極取向的變化，表明后者的發光過程涉及很強的電子-振動耦合作用。通過與理論計算相結合，研究人員發現，要描述這種由分子振動誘導出的躍遷峰，需要超越傳統Franck-Condon原理的框架，進一步考慮分子振動對分子電子分布和電子躍遷的影響，即Herzberg-Teller（HT）貢獻。此外，研究還表明，能產生這種振動誘導發光的模式必定是一種非全對稱的分子振動，它們會對那些具有較大躍遷密度分布的原子產生強烈的沿分子長軸方向的擾動，使得波函數發生畸變，進而誘導出較大的沿分子長軸的躍遷電荷振蕩，產生躍遷偶極沿分子長軸的電子-振動態發光。這些研究結果提示，具有各向異性特征的電子-振動峰成像圖案可以為我們理解分子振動與電子躍遷之間的耦合作用以及激發能量再分布等微觀圖像提供直觀深刻的認識。審稿人評價，“這篇文章在單分子水平上講授了振動模式及其對稱性是如何影響分子熒光特性的，并在實空間直接觀察了由于Herzberg-Teller效應引起的電子-振動耦合所導致的發射偶極的變化……相信該工作將引起科學界的廣泛關注，超越單分子和STM研究領域本身。”
中國科大微尺度物質科學國家研究中心博士生孔繁芳和田曉俊為論文的共同第一作者。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中科院、教育部、安徽省等的支持。
（a）STM誘導單個分子電致發光的實驗示意圖；（b）并五苯結構示意圖和STM形貌圖；（c）分子位置依賴的電致發光點譜；（d）FC貢獻主導的v1電子-振動峰對應的光譜成像實驗圖及其相關理論模擬；（e）HT貢獻主導的v2電子-振動峰對應的光譜成像實驗圖及其相關理論模擬
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