罗丹明分子光致电子转移和相干布居转移的超快光谱研究

发布时间：2020-11-08 13:59

　　 电子转移以及相干布居转移是许多微观物理过程和化学反应中最基本,最初始的过程。电子转移在氧化还原反应以及各种光电转换器件中都起着关键作用,相干布居转移对于研究分子器件、量子信息存储等方面具有重要意义。基于目前研究中所存在的问题,本论文以典型罗丹明染料分子作为实验样品进行了光致电子转移和相干布居转移过程的超快光谱研究。首先,进行了分子内电子及振动能量重新分布的研究。当分子被光子共振激发后,分子内的电荷分布状况会发生相应改变。部分电子从某一基团转移至另一基团,电子受体基团电荷密度的增多会引起分子内局部极化增强从而使得其对应的振动模式也相应增强。因此,可以利用分子内一些特征模式的振动增强效应作为探针来追踪分子内电子转移的过程。利用量子化学计算定性地描述被光子共振激发后罗丹明101(Rhodamine101,Rh101)分子内部电子重新分布的情况,结果表明在分子内部有一部分电荷从氧杂蒽环转移到了苯环上。在实验中,利用超快时间分辨瞬态光栅(Transient Grating,TG)光谱技术探测了Rh101分子电荷重新分布的过程。根据超快时间分辨瞬态光栅光谱实验结果以及对时域信号的傅里叶分析,发现被光激发后Rh101内苯环的“旋转”和“摇摆”两特征振动模式都随时间的延迟发生了增强,由此间接地追踪到了分子内部电子重新分布的过程。其次,进行了受体结构对光致分子间电子转移速率影响的研究。分子结构的差异会带来不同的能级结构以及电子给体受体间不同的电子耦合,从而引起分子间不同的电子转移速率。此部分工作选取罗丹明101和罗丹明6G(Rhodamine 6G,Rh6G)两种常见的染料分子作为电子受体,选取苯胺作为电子给体溶剂,研究了受体结构对电子转移速率的影响。利用宽带瞬态光栅光谱技术超高的时间分辨率,由苯胺向两种染料分子的前向电子转移过程以及后续的反向电子转移过程都可以在光谱中被追踪到。通过数据分析可以发现,无论是前向电子转移还是后续的反向电子转移过程,Rh6G都比Rh101发生的更快。结合马库斯电子转移速率公式,经过比较分析发现,相较于Rh101分子,Rh6G拥有更柔性的分子结构,与苯胺之间更大的电子耦合系数。因此,Rh6G与苯胺分子间电子转移的速率更大。最后,对罗丹明101分子进行了光致相干布居转移的超快光谱研究,在此过程中伴随着电子轨道状态的变化。往常的相干布居转移研究通常局限于气体分子或者金属离子,利用粒子在某特定状态下的荧光来判断粒子数布居状态的变化,并且研究的相干布居转移过程相对较慢,发生在“纳秒”时间尺度。本部分工作创新性地利用瞬态光栅光谱技术对液相体系下相干布居转移过程进行了研究。以罗丹明101分子在甲醇中的溶液作为研究样品,在零延迟时刻的瞬态光栅光谱中,在1500 cm~(-1)和2900 cm~(-1)附近出现了两相干峰。结合对样品的瞬态吸收(Transient Absorption,TA)实验,可以确定零延迟时刻的瞬态光栅光谱中的相干峰源自于光发射。此外,瞬态光栅光谱与Rh101的稳态拉曼谱有较高的匹配度。由此可以确定瞬态光栅光谱中的相干峰位源自于Rh101从初始态到高振动能级的相干布居转移。通过对相干布居转移过程的双边费曼图分析,可以发现相干布居转移的粒子数目和瞬态光栅信号强度呈正相关关系。此部分工作把相干布居转移研究的领域扩展到了液相体系,并在实验中观测到了百飞秒时间尺度的相干布居转移,证明了瞬态光栅是一种研究液相体系下相干布居转移过程的有效技术手段。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O657.3;TQ617.3
【部分图文】：

第 1 章 绪 论 “AvaSpec-Fast/128 超快型光纤光谱仪”可实现每秒 5000 幅的光谱采集，时间分辨率可达到 0.2 ms。ICCD 和条纹相机可以分别实现“纳秒”以及“皮秒”时间尺度的分辨率。 ICCD 是在 CCD 中加入像增强器、微通道板等光电元器件，利用像增强门控功能实现时间分辨。而条纹相机是把不同延迟时刻的光信号转换至探上不同空间分布的仪器，通过光信号在探测器上的“条纹”分布来反推出不迟时刻样品的瞬态性质。两种常用商用光谱探测仪器展示在图 1-1 中，其a）图为 Andor 公司生产的 ICCD，型号为 iStar 340T，可实现最小 2 ns 的分辨率，可以用来探测样品在纳秒时间尺度以上的荧光寿命探测。（b）图本滨松公司生产的条纹相机，型号为 C10910，对光谱的时间分辨率可达s，可以对皮秒时间尺度以上的超快动力学过程进行探测。

图 1-2 各种微观反应发生的时间尺度[31]Fig. 1-2 Time scale of some ultrafast microreactions[31]程的研究是从底层认识物质特性，理解反应本质的一个对于时间分辨率的提升激励着科研工作者发明了不同orrish 和 G. Porter 发展了闪光光解技术，实现了微秒（2]。然而“巧妇难为无米之炊”，由于设备的限制，在二十时间分辨率无法提升至纳秒（ns）以下。

哈尔滨工业大学理学博士学位论文的位置不会发生改变。之后调节另一片反射镜，使得从镜严格平行于位移台的移动方向。经过上述调节后，随着位出射的位置始终不发生变化，仅仅是光脉冲出射的时间精确控制两束光脉冲或者多束光脉冲的相对延迟时间。要一台控制器，如图 1-3 (b)照片中展示的那样，可以利用之间的相对延迟时间。商用的光学延迟线可以实现 1 微米以下的精确步长控制秒的准确光学延迟。这个尺度的时间分辨率足以用来探测演化过程。
【参考文献】

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本文编号：2874878