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单分子光谱经过近三十年的发展,在物理学、化学、生物学及相关新兴交叉学科中都有着十分广泛的应用。基于单分子荧光技术实现突破衍射极限的超分辨成像获得了 2014年的诺贝尔化学奖,这极大地鼓舞了人们的研究兴趣,迎来了单分子科学发展的新契机。单分子的研究消除了系综平均效应,能够观测到分子所处周围纳米环境的微小扰动和动力学信息。同时,单分子作为一个理想的单量子体系,其辐射的单光子可以用于量子保密通讯以及量子信息处理。单分子的电子转移动力学作为一个研究热点,已经被广泛地应用于分子传感、太阳能器件及生物医药等方面。单分子电子转移动力学过程会导致单分子荧光量子产率及光稳定性等光物理性质发生变化;单分子电子转移动力学的操控,不仅可以用于单分子的超分辨荧光成像,而且对基于单分子的量子态制备及设计分子量子器件都具有重要意义。本文工作主要研究了单分子的电子转移动力学特性,并且通过外场操控单分子的电子转移动力学。利用单分子与氧分子的电子转移特性,研究了氧气浓度对单分子三重态T1和离子态R+的电子布居几率的影响。研究了电场操控单分子的电子转移动力学过程,在1000 V/mm的电场作用下,实现了单分子荧光的关断。用泵浦-探测技术研究了单分子超快的电子相干效应,在扫描泵浦与探测两束脉冲光的延时过程中,探索了单分子荧光周期性振荡的干涉现象。本论文工作的创新点:1.揭示了氧分子对染料单分子的电子转移动力学特性的影响,发现随着氧气浓度的减少,单分子荧光强度变弱,荧光漂白受到一定抑制而荧光闪烁更加频繁。对单分子荧光闪烁行为进行概率密度统计,研究了氧气浓度对单分子的三重态T1和离子态R+的电子布居几率分布的影响。单分子荧光闪烁特性对氧气浓度的响应灵敏度达到5.7792Torr-1,比通常单分子荧光强度测量的方法提高了 6倍。2.利用电场高效地操控单分子内的电子转移动力学过程,设计并实现了电场调制的单分子荧光开关。研究发现单分子的荧光强度随着电场的增强逐渐淬灭,在较强电场(1000 V/mm)的作用下实现单分子荧光的关断。方波电场可以诱导单分子实现可逆的荧光开关效应,统计发现单分子荧光开关的截止电场约为593 V/mm。3.用泵浦-探测的方法对单分子超快的电子相干效应进行测量,消除两束激光脉冲自身干涉后,扫描泵浦-探测脉冲光的延时过程中,发现单分子荧光强度在零延时时刻的周期性振荡的量子相干现象。实现了单分子激发态各振动能级形成波包之间的电子相干测量及操控。