研究领域
联系我们
实现对天然光合体系高效太阳能利用与转移以及光电光催化材料内光转换动力学过程的全面探测及其物理机制的描述，既是动力学研究领域的国际前沿和重大挑战，也是决定光电及光催化器件性能和大幅提升其光转换效率的一个关键因素。围绕这一重要科学方向，软物质物理重点实验室一直致力于自主发展及应用目前国际上各类最先进的时间分辨光谱技术，用于研究各类有机/无机半导体材料、光催化纳米粒子、二维材料及其异质结中的电荷/能量传递方式、过程、机制。
翁羽翔研究员带领的团队在前期工作中发展了一种能够系统表征半导体纳米材料中间能级的光学方法，即中间能级激发波长扫描-时间分辨中红外光谱技术。该方法能够确定束缚态电子的费米能级，以及带间的缺陷态能级，为优化光催化半导体纳米材料的设计提供了实验依据。团队成员应用上述方法确定了锐钛矿和金红石的能带位置的相对排列，发现两者导带对齐，价带金红石比锐钛矿高0.2eV。并提出了光生电子在两相中迁移方向判定的动力学判据，预测了不同条件下，光生电子的迁移方向，并获得了实验验证。阐明了金红石型和锐钛矿型TiO2的催化性能差异，从而解释了为什么金红石能够实现光催化水的全分解反应，而锐钛矿只能够实现光解水的放氢半反应。
有机半导体因其低成本、重量轻及柔性等潜在优势备受人们的关注。团队成员以有机小分子酞菁锌薄膜为研究对象，应用飞秒时间分辨中红外及可见-近红外谱段瞬态吸收光谱技术并结合其他手段，证明了光激发在直接蒸镀的酞菁锌薄膜中仅仅是激子激发，而在弱外延生长的薄膜中能够产生带隙激发的自由载流子。为有机小分子半导体材料光吸收产生自由载流子给出了直接的实验证据，揭示了分子间距对于有机小分子半导体光电性质的调控起着决定性的作用，在高度结晶的有机小分子半导体中可以通过光激发直接产生离域的自由载流子。这一认识揭示有机半导体与无机半导体在光电性质上没有绝对的界限，为制备有机光电器件提供了新的思路。
团队成员发展了将飞秒超宽谱带红外探测与显微成像相结合的全新超快光谱技术，利用光电材料内各种光生载流子对红外区不同能量光子响应范围的差异，可以有针对性地研究二维材料及异质结内各类激子以及自由载流子的动力学行为。利用此技术揭示了石墨烯/银纳米颗粒异质体系中的超快电子转移过程，以及首次在实验上证明了MoSe2/石墨烯异质结构中拥有较长寿命的层间激子。此外，非辐射能量耗散导致以MoS2为代表的二维材料量子效率很低，极大限制了其应用。同时，利用飞秒瞬态光谱深入解析了二维MoS2光生载流子的超快动力学过程，并进一步实现在超快时间尺度对晶格温度的实时观测。揭示其非辐射能量耗散通道包括载流子热化和表面缺陷辅助的激子复合，在光激发后几皮秒内，前者有效地加热了MoS2晶格，后者则很快与外界发生交换。
上述相关工作已经发表在ACS Nano, Scientific Reports等重要科研杂志上，并获得了国际同行的关注和重视。例如，发表在Chemical Reviews上的综述文章“Organic OptoelectronicMaterials: Mechanisms and Applications”（2016, 116 (22), 13279）以“Intrinsic or Extrinsic？”为子标题对上述证明有机半导体中存在本征自由载流子的工作着重进行了介绍.
