利用光学混频技术研究二氧化钛表面声子谱

二氧化钛(TiO2)被公认为是太阳能转换和降解有毒有机污染物方面最有前途的光催化剂。在这类应用中，TiO2的表面晶格结构起着决定性的作用。然而，迄今为止绝大多数相关实验都在超高真空中进行，而TiO2器件则几乎都工作于高压、甚至液相的环境中。实验与现实条件的巨大差异使这些研究成果难以应用到TiO2器件的研发中。本项目将首次使用表面光学混频方法探测TiO2的表面声子，即表面晶格振动。作为二阶非线性光学技术的一种，该方法不但拥有非常高的表面、界面灵敏度，且可工作于高压乃至液相的条件下，是研究现实环境中TiO2表面的理想手段。通过表面声子谱的测量，我们可获得表面晶格重构、表面化学键键长/键角等诸多信息。结合观测表面吸附分子的属性，我们可以建立TiO2表面晶格结构与分子吸附或解离过程之间的关联，揭示相关光催化反应的内在机制。我们的研究成果将有助于研发基于TiO2的新型光催化器件，有着显著的现实意义。

表面混频光谱（包括光学二次谐波）是一种二阶非线性光学技术，具有很高的表面、界面灵敏度，可被应用于光子所能达到的任何体系，与使用带电粒子探针的传统表面探测技术有着很强的互补性。在本基金项目资助期间，我们搭建了一套广谱可调的超快非线性光谱测量装置，并利用表面混频光谱技术对数个传统方法较难表征的表、界面、及二维体系开展了研究，展示了非线性光学技术在这些课题中的应用价值，并取得了一定科研成果，具体包括：1）我们探测了二氧化钛锐钛矿单晶表面在室温、常压下的表面声子谱，结合第一性原理计算确认了其对应的表面微观结构、及其对紫外光照射的响应机制，有助于理解二氧化钛在工作环境下的催化机制；2）在前期工作的基础上，我们利用表面等离激元增强的非线性混频光谱对电化学界面进行了探测，实现了对该界面在电化学反应过程中实时、原位的界面红外光谱测量，并进一步获得表面分子构型、表面分子吸附等信息，为从分子尺度上理解固液界面电化学反应的微观机制提供了基础；3）我们与合作课题组利用”折纸”的方法获得了不同堆叠方式的双层二硫化钼材料，通过光学二次谐波等表征技术证实了该方法可有效调控二硫化钼的能谷-自旋耦合量子态等多种属性，为实现基于该类二维量子功能材料的新型光、电子器件提供了一种思路。