基于飞秒时间分辨显微测量的二维材料缺陷荧光动力学研究

In this project, we propose an experimental research on how carrier recombination is affected by defects in 2D materials utilizing femtosecond micromachining and time-resolved optical Kerr microscopy techniques. The project includes two major parts: artificial 2D material defect preparing and femtosecond time-resolved microscopic characterization. First, we will irradiate 2D material flakes with a focused femtosecond laser beam under precisely controlled conditions to generate defects. Then, these samples will be characterized using a femtosecond optical Kerr gating microscope with improved sensitivity based on our prior work. Ultimately, all data will be analyzed with the help of theoretical calculation to establish a model of defect-carrier interaction in 2D materials. This research will help us understand the charge transfer process in the 2D materials as well as on interfaces, and therefore promote the development of practical applications of 2D materials. At the same time, the techniques developed in the project will provide new precise material processing and femtosecond characterization capabilities to research areas including nanomaterials and biology.

本项目基于飞秒激光微加工及时间分辨光克尔快门荧光显微技术，开展二维材料中缺陷对载流子复合过程影响的研究。本项目的工作包括二维材料样品的制备和表征两个方面。首先，项目组将借助飞秒激光微加工系统，对二维材料进行精确的飞秒激光烧蚀，实现程度可控的人工缺陷制备；之后，项目组将在前期工作的基础上，通过对飞秒时间分辨克尔显微技术的进一步改进，提高系统对弱信号的灵敏度，实现二维材料的飞秒时间分辨荧光成像测量；最终，结合理论分析，对二维材料及异质结中缺陷对电子-空穴对复合过程的影响开展定量分析，建立这一过程的机理模型。这一研究可以帮助我们理解二维材料以及界面上的电荷转移过程，推动二维材料实用化的进展，同时在研究过程中完成的技术改进可为包括纳米材料、生物组织研究等领域提供全新的精密材料加工和飞秒动力学表征手段。

本项目开展了基于激光微加工和超快光学测量技术开展的针对二维材料光致发光特性的研究。项目组完成的基础研究工作包括：1. 飞秒光克尔快门波前匹配研究，为改进飞秒荧光寿命测量方法开展了实验探索；2. 使用激光烧蚀以及表面吸附实现单层二维材料荧光效率调控，为深入理解二维材料中激子的产生和复合过程以及的荧光增强机理提供了新的实验证据。在技术研发领域，项目组完成的工作包括：1. 发展和优化了飞秒和连续激光微加工系统，可为二维材料精密微加工以及表面修饰提供有力的工具；2. 发展了一种基于激光直写实现的二维材料表面选择性单层水分子脱附实现的信息记录方法，提供了一种借助表面吸附分子层调控实现二维材料器件功能的思路；3. 发展了一种基于倍频光产生的二维材料畴区尺寸评估方法，为大尺寸二维材料连续基底生长提供高效的晶畴尺寸表征手段。以上工作可增进我们对二维材料中激子形成、复合与发光等物理过程的理解，并推动二维材料的应用化和产业化应用发展。