基于飞秒光电子显微镜技术的载流子动力学多维度研究

Carrier dynamics, the distribution evolution in real space and the relaxation process in reciprocal space, is valuable for the development of modern optics, material science and condensed state physics because it can be used to investigate the material properties and the theory of photoelectric devices. Most works reported focused on the research of carrier dynamics in a single material or in a single detection dimension. It makes the research results in each detection space segmentary and isolated. In this project, we investigate the carrier dynamics in multiple materials and multiple detection spaces based on the femtosecond PEEM technology. For the choice of materials, we are aimed at the research of photoelectric composite materials, such as semiconductor - semiconductor, semiconductor - 2D material, 2D material - metal. Because of the multidimensional detection of PEEM, we can realize the situ measurement in real space, reciprocal space and energy space. Moreover, the distribution of carriers at different times can be given in both real space and reciprocal space with the pump and probe technique.

载流子动力学——载流子空间分布演化和能量驰豫过程，作为探索新材料性质和光电器件原理的基石，对现代光学、材料学、凝聚态物理学的发展具有关键性价值。目前的相关工作大多集中于单一材料体系或者单一探测维度的载流子动力学研究，这使得各个维度的研究结果相对孤立并有一定局限性。本项目提出基于飞秒光电子显微镜技术突破性实现对复杂材料体系下载流子动力学的多维度研究。材料体系方面，我们着眼于复合光电材料体系的研究，即半导体-半导体、半导体-二维材料、二维材料-金属。基于光电子显微镜多维度原位探测的优势，可以将实空间探测、倒空间探测和能量空间探测相结合，实现载流子动力学过程相对完备的观测。除此之外，利用泵浦探测技术，可以给出不同时刻载流子在实空间和倒空间的分布情况。

载流子动力学——载流子时空演化和能量驰豫过程，作为探索新材料性质和光电器件原理的基石，对现代光学、材料学、凝聚态物理学的发展具有关键性价值。.我们设计并完善了飞秒时间分辨泵浦探测光路系统，建立了基于时间、空间和能量分辨的光电子显微镜系统并开展石墨烯、二维过渡金属硫族化合物、钙钛矿等新型材料的动力学研究，实现光电材料中载流子动力学演化过程直观探测，为光电器件的制备及应用提供重要参考。.1、制备了石墨烯/砷化镓异质结结构，通过改变衬底材料的掺杂改变材料界面处的能带弯曲方向，这种界面的能带弯曲将在空间维度上引导热载流子的输运方向，从而进一步影响材料性质，实现了界面处超快载流子动力学的调控。.2、研究了典型TMDs材料单层WS2超快动力学过程，揭示了单层WS2超快的电子冷却和缺陷捕获的动力学过程，发现缺陷态的产生与真空下激光光照有关，这种缺陷的产生方式及其对动力学过程的显著影响，在一般的光发射实验和光谱测量中值得注意。.3、研究了钙钛矿表面缺陷动力学，发现钙钛矿体相电子向表面缺陷态的转移和表面缺陷态复合过程。能谱动力学分析进一步揭示了钙钛矿表面电子动力学过程主要有表面缺陷态电子捕获和弛豫过程及光生自由载流子弛豫过程，并说明了钙钛矿材料中表面电子动力学过程由深层缺陷主导，强调了表面缺陷钝化对钙钛矿材料器件应用的重要性