文丨張麗文

編輯丨瑞秋

發(fā)布丨先鋒科技

瞬態(tài)吸收和超快熒光光譜技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于光物理和光化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究，為新材料及其器件設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。目前瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)時(shí)空分辨率一般在百余飛秒和數(shù)微米量級(jí)，無法用于觀測特定微區(qū)內(nèi)或光激發(fā)百飛秒內(nèi)發(fā)生的載流子動(dòng)力學(xué)過程。為此，課題組提出研制的超高時(shí)空分辨白光泵浦-探測瞬態(tài)吸收和超快熒光光譜顯微成像系統(tǒng)，可用于光電功能材料與器件中異質(zhì)結(jié)界面等特定微區(qū)帶隙重整等超快動(dòng)力學(xué)過程研究，具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。該研究獲2021年國家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項(xiàng)目立項(xiàng)資助。

課題組經(jīng)過多年潛心研究，在穩(wěn)定超連續(xù)白光探測光的產(chǎn)生、啁啾超連續(xù)白光脈沖壓縮、泵浦光與探測光的極限聚焦匹配的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題研究方面取得突破進(jìn)展，為儀器的時(shí)間-空間分辨率和靈敏度等性能指標(biāo)的提升提供了保障。目前，瞬態(tài)吸收光譜測量的時(shí)間和空間分辨率分別優(yōu)于為30fs和300nm、靈敏度優(yōu)于0.1mOD，各項(xiàng)核心技術(shù)指標(biāo)處于國內(nèi)外同類儀器的領(lǐng)先水平。

圖1. 飛秒時(shí)間分辨瞬態(tài)吸收光譜顯微測量系統(tǒng)硬件與測試軟件

課題組利用高時(shí)-空分辨微區(qū)瞬態(tài)吸收光譜測試系統(tǒng)研究了鈣鈦礦單晶薄膜中的光生載流子動(dòng)力學(xué)。將飛秒時(shí)間分辨瞬態(tài)吸收與顯微成像技術(shù)相結(jié)合，成功探測到鈣鈦礦單晶薄膜不同微區(qū)的瞬態(tài)吸收信號(hào)。通過對瞬態(tài)吸收光譜進(jìn)行全局?jǐn)M合分析，探明了包括熱載流子冷卻、缺陷態(tài)捕獲和載流子復(fù)合等超快動(dòng)力學(xué)過程，并揭示了邊界處由濃度較高的缺陷態(tài)引起的激發(fā)態(tài)吸收現(xiàn)象。（Journal of Materials Chemistry C, 11, 3736-3742 (2023). [封面論文]）

圖2. 單晶鈣鈦礦薄膜內(nèi)部區(qū)域的瞬態(tài)吸收光譜

利用高時(shí)-空分辨微區(qū)瞬態(tài)吸收光譜測試系統(tǒng)，研究了聚合物太陽能電池（Polymer Solar Cells, PSCs）中引入強(qiáng)偶極矩添加劑(OFIB)對其活性層(PM6:L8BO)的形貌調(diào)控、分子堆積以及光電轉(zhuǎn)換效率的影響及其光物理機(jī)制。通過飛秒瞬態(tài)吸收光譜測量探明了OFIB添加劑對活性層中光生激子的擴(kuò)散及復(fù)合行為的超快動(dòng)力學(xué)過程的影響，通過奇異值分解和全局?jǐn)M合得到體系中主要存在的三個(gè)光物理過程：激子產(chǎn)生(EX)，電荷轉(zhuǎn)移態(tài)（CTS）以及電荷分離態(tài)（CS）。與未使用添加劑調(diào)控的活性層相比，OFIB調(diào)控的聚合物活性層中的光生激子具有更長的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)壽命，復(fù)合幾率減小，有利于激子在給受體界面分離，因此器件光電響應(yīng)過程中可產(chǎn)生更高的電荷分離態(tài)產(chǎn)率和光電轉(zhuǎn)換效率。優(yōu)化后的器件表征結(jié)果證明，使用OFIB添加劑處理的PSCs實(shí)現(xiàn)了18.38%的光電轉(zhuǎn)換效率，相較于未使用添加劑處理的器件性能顯著提升了17%。（ACS Applied Materials & Interfaces, 14(5), 6945-6957 (2022)；Advanced Functional Materials, 34, 2310312 (2023).）

圖3. 聚合物太陽電池材料PM6:L8BO和PM6:L8BO+OFIB薄膜的超快動(dòng)力學(xué)表征

結(jié)合飛秒時(shí)間門選通熒光顯微成像系統(tǒng)，課題組首次觀測了微盤激光的時(shí)空演化過程，揭示了器件受激發(fā)射過程中光生載流子對其增益光譜、諧振模式等特性的影響機(jī)制，探明了激射超快過程的空間分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了由于微腔側(cè)壁結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致的不同位置處激射動(dòng)力學(xué)的差異，進(jìn)一步提出通過構(gòu)建2D/3D復(fù)合材料體系調(diào)控?zé)彷d流子弛豫過程壓縮激光線寬的策略。（Laser & Photonics Reviews, 2300533 (2023)；Advanced Optical Materials,12, 2400189 (2024).）

圖4. 鈣鈦礦單晶微腔激射動(dòng)力學(xué)研究

目前該儀器樣機(jī)已在納入西安交通大學(xué)大型儀器設(shè)備物聯(lián)共享系統(tǒng)（http://equip.xjtu.edu.cn/home/），校內(nèi)外用戶可通過平臺(tái)預(yù)約測試，目前已為校內(nèi)和十余家校外單位提供測試服務(wù)，合作研究成果相繼在Advanced Materials、Angewandte Chemie等頂級(jí)期刊發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文。

測試服務(wù)聯(lián)系人：黃金 工程師，郵箱：huangjin1121@mail.xjtu.edu.cn

圖5. 西安交通大學(xué)大型儀器設(shè)備物聯(lián)共享系統(tǒng)

閆理賀教授來自西安交通大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院司金海教授團(tuán)隊(duì)，課題組多年來致力于超快非線性光學(xué)與超快光子技術(shù)、飛秒激光微納加工技術(shù)等方面研究。閆理賀教授主要從事超高時(shí)-空分辨瞬態(tài)光譜技術(shù)、光電功能材料超快光物理響應(yīng)機(jī)制研究等工作，致力于開發(fā)兼具有高時(shí)-空分辨率和高靈敏度的瞬態(tài)吸收光譜測量系統(tǒng)，并探索相關(guān)科研儀器在光電功能材料與器件研究中推廣和應(yīng)用，以第一/通訊作者身份先后在Advanced Functional Materials、Laser & Photonics Reviews、Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express 等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文60余篇。

圖6. 西安交通大學(xué)司金海教授團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)建設(shè)