分子体系及半导体微纳结构的超快动力学研究

发布时间：2017-03-23 16:09

  本文关键词：分子体系及半导体微纳结构的超快动力学研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本博士论文工作包括两个部分：(一)分子体系“暗”三重态空间的超快动力学研究；(二)半导体微纳结构的超快动力学研究：(1)半导体-金属-石墨烯三元堆叠复合结构的超快动力学研究；(2)二维BiOCl材料的超快动力学研究。(一)分子三重态空间的超快动力学研究 对于分子体系而言,一般均具有自旋多重度不同的单重激发态和三重激发态。常规的光探测的方法技术,仅能直接探测与基态自旋多重度相同的激发态。如何揭示“暗”态空间动力学行为,仍然是光物理和光化学领域的一个棘手难题。对于单重态-三重态耦合的分子体系而言,“明”单重态空间的动力学行为可以通过常规的飞秒泵浦-探测光谱检测得到。但是,由于一些快速的弛豫过程(例如振动弛豫、内转换等过程)的存在,提取出纯净的“暗”三重态空间动力学行为是非常困难的。为此,我们发展了一种新颖的实验方法对三重态空间的行为进行探测。我们采用超快的宽带连续白光作为激发光源以增强系间窜跃的可能性,促进布居从单重态空间向三重态空间转移。我们选用孔雀石绿分子作为模型体系,通过一套时间反转的pump-probe实验,实时监测三重态空间的调制发射信号,从而对纯三重态空间的动力学行为进行了实时描画。这种新方法为分子发光学、光子学等相关研究打开一扇新窗。 (二)半导体微纳结构的超快动力学研究 (1)三元复合体系半导体-金属-石墨烯的超快动力学研究 通过常规的材料设计来抑制光催化半导体中电子-空穴的复合效率还存在很大的挑战。我们与本单位的合作者精心设计并构筑了一种新型的半导体-金属-石墨烯三元堆叠复合结构,通过对超快光谱和荧光谱的细致解读,辅以理论计算以及光电流测试、与参比材料的对比分析等,揭示了该三元复合结构的设计在机理上的优越性。我们选取较高功函的金属Pd作为桥梁连接{100}面的Cu20半导体与二维导电材料石墨烯。由于肖特基势垒的存在,半导体中光生载流子向金属Pd转移,聚集到金属表面的光生载流子随后通过堆叠结构底层的二维石墨烯导出,这样既有效地减少了Pd点缀Cu20复合结构的界面缺陷,又解决了传统Pd-Cu2O壳核结构中内核电荷无法导出的问题,从而有效地提高了半导体中电子-空穴的分离效率。光解水的实验则证实了该三元堆叠结构(相比于其它以Cu2O半导体为基础的参比复合结构)具有明显高效的电子-空穴分离效率。 (2)二维BiOCl材料的超快动力学研究 卤氧铋这种新型的二维光催化材料,因其特殊的层状结构和电子特征从而备受关注。就BiOCl而言,其{001}面的调控是提高光催化效率的关键。然而,目前对于其催化作用机制的研究相当匮乏。我们采用飞秒时间分辨的泵浦-探测技术研究了与二维BiOC1材料表面缺陷态相关的超快载流子动力学行为,获得了一些机理层面的初步认识。接下来我们将继续开展更为系统的超快光谱实验,从而挖掘更深层的微观机理。
【关键词】：飞秒时间分辨泵浦-探测技术 超快瞬态吸收光谱 单重态 三重态 系间窜跃 调制发射 半导体光催化 肖特基势垒 载流子动力学 表面缺陷态
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN303
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目录10-13
• 第一章 绪论13-29
• 1.1 引言13
• 1.2 超快激光的发展及技术简介13-18
• 1.2.1 超快激光的发展简介13-15
• 1.2.2 超快激光的产生与放大技术15-18
• 1.3 超快瞬态光谱测量技术18-22
• 1.4 超快光谱技术的应用22-23
• 1.5 本论文的主要内容安排23-26
• 参考文献26-29
• 第二章 凝聚相体系超快过程介绍29-49
• 2.1 分子体系中的超快过程29-34
• 2.1.1 无辐射跃迁29-31
• 2.1.2 辐射跃迁31-32
• 2.1.3 液相分子体系超快过程中的一些规则介绍32-34
• 2.2 半导体光催化34-44
• 2.2.1 半导体中载流子的超快过程35-38
• 2.2.2 半导体光催化的一般原理38-39
• 2.2.3 半导体光催化的应用39-40
• 2.2.4 金属与半导体的接触40-44
• 参考文献44-49
• 第三章 实验装置49-63
• 3.1 飞秒激光系统49-50
• 3.2 泵浦-探测系统50-53
• 3.3 啁啾校正53-57
• 3.3.1 群速弥散补偿55-56
• 3.3.2 相位调制56-57
• 3.4 荧光探测系统57-60
• 3.5 本章小结60-61
• 参考文献61-63
• 第四章 分子体系“暗”三重态空间的超快动力学研究63-89
• 4.1 引言63-64
• 4.2 实验方法64-67
• 4.2.1 飞秒pump-probe实验方法65-66
• 4.2.2 稳态吸收和荧光光谱测量66-67
• 4.2.3 第一性原理计算67
• 4.3 实验结果和讨论部分67-84
• 4.3.1 MG分子的紫外可见吸收谱和稳态荧光谱67-68
• 4.3.2 MG分子的能级图68-70
• 4.3.3 三重态空间调制发射ME信号观测70-73
• 4.3.4 三重态空间瞬态发射信号的特征及归属73-74
• 4.3.5 白光的控制实验验证三重态瞬态发射的归属74-78
• 4.3.6 排除MG分子的荧光干扰78-79
• 4.3.7 常规的pump-probe辅助实验79-82
• 4.3.8 理论模拟82-84
• 4.4 本章小结84-85
• 参考文献85-89
• 第五章 半导体复合体系的超快动力学研究89-113
• 5.1 引言89-90
• 5.2 实验样品的制备90-92
• 5.2.1 纯的纳米立方体Cu_2O的合成90
• 5.2.2 金属Pd点缀的Cu_2O纳米立方体的合成90
• 5.2.3 壳核结构的Pd-Cu_2O、Cu_2O-rGO复合体系、Pd点缀的Cu_2O-rGO复合体系的合成90-91
• 5.2.4 Cu_2O-Pd-rGO堆叠结构的合成91-92
• 5.3 实验方法92-93
• 5.4 实验结果与讨论部分93-108
• 5.5 本章小结108-109
• 参考文献109-113
• 第六章 二维材料BiOCl的表面缺陷态超快动力学研究113-125
• 6.1 引言113-114
• 6.2 实验样品的制备114
• 6.2.1 BiOCl超薄纳米片的制备114
• 6.2.2 BiOCl厚片材料的制备114
• 6.3 实验方法114-115
• 6.4 实验结果与讨论115-122
• 6.5 本章小结122-123
• 参考文献123-125
• 第七章 总结及展望125-127
• 致谢127-129
• 攻读博士期间已发表及待发表的研究论文129-131

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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本文编号：264084