纳米半导体光催化剂中载流子动力学的超快光谱表征

The proposal focuses on the interdiscipline including ultrafast spectroscopy, nanostructured materials and photosynthesis, developing time-domain terahertz spectroscopy and transient absorption spectroscopy. Exploiting the novel methods of ultrafast spectroscopy, ultrafast carrier dynamics of nanostructures in photosynthetic reactions are in situ characterized with time resolution on the order of femtosecond to nanosecond. Whereas the time-domain terahertz spectroscopy has emerged as a powerful technique for probing the ultrafast conductivity of nanostructured semiconductors, the transient absorption spectroscopy provides access to investigate the generation, relaxation, trapping, and recombination of photo-induced charge carriers. By means of time-domain terahertz spectroscopy and transient absorption spectroscopy, the microscopic carrier dynamics are complementarily understood. The fully understanding of the ultrafast carrier dynamics will provide an essential feedback to design the structure and improve the manufacture of nanostructured semiconductor, finally increasing the conversion efficiency of photocatalytic systems.

结合催化化学、超快光谱学和纳米材料科等多个学科，发展时间分辨太赫兹光谱和瞬态吸收光谱，利用先进的超快光谱方法原位表征纳米结构半导体催化剂中的微观载流子动力学。时间分辨太赫兹光谱表征半导体催化剂中飞秒至纳秒量级的载流子迁移率的变化，瞬态吸收光谱可以表征半导体催化剂中载流子带内弛豫、捕获和复合过程。两种超快光谱方法互相补充，全面的表征光催化反应中的微观载流子运动，以此为基础优化纳米半导体催化剂的结构和制备方法，抑制电子-空穴复合，加快载流子向表面运动迁移率，提高光转换效率。

飞秒尺度的超快动力学过程对于理解原子分子光诱导反应的结构演化、先进材料中电子-空穴迁移和复合等过程有重要的意义。发展先进的超快光谱方法能够帮助我们更好的理解飞秒动力学过程。本项目主要发展新的理论和实验方法优化超快光谱方法的光谱带宽和时间分辨率，尤其是引入强场太赫兹光学，讨论太赫兹技术在超快光谱科学中的新方法和新应用。. 其中重要的代表成果包括：1.提出了一种新的光谱方法，利用太赫兹辅助超快光电子能谱的方法，可以在探测亚飞秒尺度的密度矩阵演化。论文成果以第一作者发表在Phys. Rev. Lett., 121(11), 113201(2018)上，文章在中国科学院网站主页上以“量子相干新进展”为题作为亮点工作报道。这这种新方法中，探测脉冲包括一个相位锁定的XUV脉冲和THz脉冲，不但可以区分密度矩阵中相干项和布局项的贡献，而且能够分辨超快的量子拍频现象。利用强太赫兹条纹相机的方式，我们可以利用5fs脉冲宽度的探测脉冲分辨拍频周期远小于探测脉冲宽度的量子拍频，而且密度矩阵中布局项和相干项动力学过程投影在不同的电子能谱区域。. 2.可靠的强场太赫兹光源是时间分辨太赫兹光谱的重要保证。利用双色场电离气相介质产生超宽带超短脉冲强场太赫兹，是一种非常可靠的太赫兹光源。通过改变双色场的相位和偏振，可以任意改变太赫兹电场的场强和偏振，太赫兹脉冲极性方向的控制，对于光谱探测中极化率的改变有非常重要的意义。论文成果以通信作者发表在Photonics Research, 8(6), 760-767(2020)和Optics Letters, 45(7), 1838-1841(2020).. 3.利用超宽带瞬态光谱仪器表征钙钛矿材料的载流子动力学过程，我们发现先进的电子传输层材料能够加快电子在界面之间迁移的速率。长期暴露在大气环境中的钙钛矿器件，载流子动力学并没有受到明显的影响。结论可以为制作效率更高的钙钛矿器件提供理论上的指导。论文成果以通信作者发表在Electronic Organics, 75,105384(2019).