超快时间分辨和局域场空间分辨谱学与动力学研究

摘要

我们组近年来一直致力于发展具有飞秒时间、纳米空间和能量分辨的高灵敏超快非线性光谱和动力学测量新技术。针对于此，我们首先开展着重于时间尺度上的飞秒超快谱学与动力学研究，采用飞秒瞬态吸收光谱技术与时间分辨荧光光谱技术深入系统地研究若干复杂分子体系、太阳能器件以及光催化微纳体系，获得电子和能量传输的通道、速率和耦合特性，并与理论模拟相结合，建立描述分子相互作用，电子和能量转移的新技术和新模型，为相关体系提供基础意义上的启迪和指导。时间域固然重要，局域空间也同样重要;为此我们也尝试开展了着眼于局域场空间的谱学与动力学研究，对于局域激发的表面等离激元，利用共聚焦拉曼探测技术、原子力显微镜技术和近场光学技术，深入系统地进行其光学和成像实验研究。这方面的探索与成熟的飞秒时间分辨研究相结合，从而促进多域分辨谱学与动力学研究技术的发展。
　　本论文包括两大部分:（一）飞秒时间分辨的超快谱学与动力学研究:(1)分子荧光开关效应的机理研究;(2)ZnO/CdS/CdTe多层结构界面层载流子动力学研究;(3)BiOBr催化降解染料过程中光生电子动力学研究;(4)类石墨烯C3N4激子动力学研究。（二）局域场空间分辨的光谱与动力学研究:(1)基于表面等离激元的定向光散射研究;(2)纳米金颗粒等离激元发光研究;(3)纳米金颗粒等离激元成像研究。
　　（一）飞秒时间分辨的超快谱学与动力学研究
　　(1)分子荧光开关效应的机理研究
　　采用超快瞬态吸收测量手段，揭示了一类化学传感器荧光分子在与二价汞离子有效螯合后产生的荧光开关效应的微观动力学机制，并将其效应运用于活细胞中的汞离子成像技术。
　　(2)ZnO/CdS/CdTe多层结构界面层载流子动力学研究
　　对于纳米core-shell棒阵列的太阳能电池而言，其电子供体-受体界面的属性对于其光电转化至关重要。对于一个简单的低成本的ZnO/CdS/CdTe结构，采用超快瞬态吸收测量手段，揭示了中间层不同厚度的调节对其载流子分离与收集效率、电荷空穴复合效率、载流子寿命的影响，为全无机材料core-shell光电池器件的性能提高提供了一种新思路。
　　(3)超薄BiOBr催化降解染料过程中光生电子动力学研究
　　我们通过简易的溶剂热法选择性地制备了(001)晶面暴露的BiOBr超薄纳米片，并在研究其光催化降解染料罗丹明B过程中尝试使用瞬态吸收光谱吸收改变量对光生电子定量化，提出可用电子催化功效比来评估光催化效率，或将为工业光催化剂设计提供一种定量化评价指标。
　　(4)类石墨烯C3N4激子动力学研究
　　针对基于聚合物半导体的光催化剂光激发机理的研究，以往较多关注光生载流子行为，而往往忽略激子效应的影响。考虑无金属聚合物材料强的多体效应，其激子动力学必须考虑进去，一般而言比无机材料要复杂得多。以类石墨烯C3N4为例，我们利用超快瞬态吸收光谱技术和荧光光谱技术，系统地研究了相关激子动力学过程。我们揭示了三线态富集现象的根源是自旋-轨道耦合以及单线态与三线态能隙的变窄。另外，我们还发现其荧光为P型延迟荧光（而不是热活化的E型延迟荧光），源自TTA（三线态-三线态湮灭）过程。这些结果不仅为研究类石墨烯碳氮化合物指明了一条新路，而且也为其他相关材料的激子设计工程提供了有价值的思路。
　　（二）局域场空间分辨的光谱与动力学研究
　　(1)基于表面等离激元的定向光散射研究
　　表面等离激元参与的定向光散射形成机理，一直以来尚存疑问。我们设计了若干光学实验，不仅证实了该定向光散射来源于沿平行表面传播且电场方向垂直于表面的散射光与表面等离激元耦合（局域场增强～100倍），而且发现特定角度的发光强度与激光偏振方向的依赖关系。
　　(2)纳米金颗粒等离激元发光研究
　　在一套共聚焦成像系统上，我们加入自行设计的超低波数斯托克斯与反斯托克斯拉曼模块，测得纳米金颗粒的表面等离激元发射全谱，并利用其峰面积进行成像观测，发现明显的局域场增强。另外，我们还探讨了激光偏振对表面等离激元发光的影响。
　　(3)纳米金颗粒等离激元成像研究
　　在一套原子力探测系统上，我们采用自行设计的光路，开展了纳米金颗粒表面等离激元成像研究。在激发功率依赖的研究中，发现表面等离激元的激发存在一个功率“转变点”，这或将为表面等离激元相关研究提供启发。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 飞秒激光技术简介

1．3 瞬态吸收光谱技术简介

1．4 荧光光谱技术简介

1．5 共聚焦拉曼光谱技术简介

1．6 原子力显微镜技术简介

1．7 近场光学技术简介

参考文献

第二章 实验装置、原理和方法

2．1 飞秒激光系统

2．1．1 Micra-5锁膜钛宝石激光器

2．1．2 Legend Elite超快激光放大器

2．1．3 光学参量放大器

2．2 瞬态吸收探测系统

2．2．1 ExciPro探测系统

2．2．2 HELIOS探测系统

2．2．3 EOS探测系统

2．3 荧光探测系统

2．4 Witec探测系统

2．4．1 共聚焦拉曼探测系统

2．4．2 原子力探测系统

2．4．3 近场光学探测系统

2．5 本章小结

参考文献

第三章 飞秒时间分辨的超快谱学与动力学研究

3．1 引言

3．2 分子荧光开关效应的机理研究

3．2．1 有机螯合物实验合成与表征

3．2．2 实验现象与结果分析讨论

3．2．3 实验结论

3．3 ZnO／CdS／CdTe多层结构界面层载流子动力学研究

3．3．1 ZnO／CdTe多层结构合成与表征

3．3．2 实验现象与结果分析讨论

3．3．3 实验结论

3．4 超薄BiOBr催化降解染料过程中光生电子动力学研究

3．4．1 BiOBr合成与表征

3．4．2 实验现象与结果分析讨论

3．4．3 实验结论

3．5 类石墨烯C3N4激子动力学研究

3．5．1 类石墨烯C3N4合成与表征

3．5．2 实验现象与结果分析讨论

3．5．3 实验结论

3．6 本章小结

参考文献

第四章 局域场空间分辨的光谱与动力学研究

4．1 引言

4．2 基于表面等离激元的定向光散射研究

4．2．1 实验试剂与器材

4．2．2 实验现象与结果分析讨论

4．2．3 实验结论

4．3 纳米金颗粒等离激元发光研究

4．3．1 实验光路设计

4．3．2 实验结果分析与讨论

4．3．3 实验结论

4．4 纳米金颗粒等离激元成像研究

4．4．1 实验光路设计

4．4．2 实验结果分析与讨论

4．4．3 实验结论

4．5 本章小结

参考文献

第五章 结论与展望

致谢

已发表的研究成果

待发表的研究成果

参加学术会议情况