二维过渡金属硫属化物中激子动力学的超快时间分辨荧光光谱研究

Excitonic effects are of great importance to many physical processes and optical properties in various photoelectric materials. Especially, excitonic effects are significantly enhanced and even play a predominant role in many quantized low-dimensional electronic systems, such as organic polymers. Various kinds of graphene-like two-dimensional materials provide an ideal platform for the investigation of exciton dynamics in low-dimensional electronic systems. Optical excitation of these materials always lead to a variety of ultrafast exciton dynamics, including the formation, interconversion, dissociation and recombination of various excitons, along with abundant phenomena of exciton fluorescence emission. In this project, a novel femtosecond time-resolved transient fluorescence spectroscopy combining the single-photon optical parametric amplification and microscopic techniques will be developed and applied to the study of ultrafast exciton dynamics in two-dimensional transition metal dichalcogenides to reveal detailed pathways and mechanisms of many ultrafast processes in these materials, such as ultrafast formation and dissociation of excitons as well as photo-induced charge transfers. These results will provide not only the necessary theoretical and experimental bases for the design and improvement of 2D-material-based photoelectric devices as well as many kinds of organic semiconductors, but also an in-depth understanding of exciton behaviors at the surface, interface or heterojunction of three-dimensional photocatalytic materials and other photoelectric materials.

在各种光电材料中，激子效应对于其中许多物理过程和光学性质具有至关重要的影响。尤其在有机聚合物等量子化的低维电子结构体系中，激子效应显著增强甚至占据主导。多种多样的类石墨烯二维材料为低维电子体系中激子动力学的研究提供了绝佳的平台。这些材料在光激发后，往往包含有各类激子的形成、相互转化、分离以及复合等多种超快动力学过程，并伴随有丰富的激子荧光发射现象。本项目计划发展将单光子参量放大技术与显微成像相结合的飞秒时间分辨瞬态荧光光谱仪，并将它应用至各类二维过渡金属硫属化物中激子超快动力学过程的研究，以揭示各类激子的形成以及相互转化、光致电荷转移等在超快时间尺度内发生的过程及其物理机制。这些结果不仅会为各种二维材料光电子器件以及各类有机半导体等材料的设计以及性能的提升提供必要的理论依据和实验基础，也将有助于对三维光催化材料以及其它光电转化材料中表界面及异质结激子性能更为深刻的理解。

在各类低维的光电及光催化材料中，激子效应往往占据主导,并极大影响着发生在其中的各种光物理以及光化学过程。揭示这些激子的形成、转化等动力学规律将会为各种二维材料光电子器件以及各类纳米光催化材料的设计以及性能的提升提供必要的理论依据和实验基础。本项目以二维过渡金属硫属化物（TMDC）等低维材料作为模型系统，通过发展超快时间分辨荧光光谱、飞秒显微宽谱红外光谱等多种独特的技术手段，深入解析了这些材料内各类激子相关的动力学过程，以及激子、载流子、声子之间的耦合特性。获得的成果包括有：发展跨频域超快光谱技术，成功揭示二维TMDC材料的激子演化动力学；发现TMDC激子能量与晶格局域温度的关联，实现二维晶格超快光致热化及弛豫动力学的实时观测，并提出多种声子耦合介导的电子能量弛豫机理；发展精准测量原子级厚度二维TMDC材料准粒子带隙及其激子结合能的光学手段；首次报道了二维TMDC材料内的热声子瓶颈效应，实验揭示其产生的物理机理；结合多种超快光谱技术，证实影响纳米核壳结构光催化材料中热电子注入效率的两大关键物理量，等等。上述工作已在ACS Nano，J. Phys. Chem. Lett.等重要学术期刊上发表。这些结果将为各类低维光转换材料内超快光转换过程的机理解释提供了翔实的实验证据与理论模型，并为其效率的提高提供新颖的思路。同时，所得的一些结论也同样有助于我们对其它三维光能转化材料中的表界面激子的动力学特性产生更为深刻的理解。