测样服务 | 飞秒时间分辨瞬态吸收光谱的福音，西交大自研样机测试服务震撼来袭

2024-08-01116

文丨张丽文

编辑丨瑞秋

发布丨先锋科技

科研探索的征途中，北京卓立汉光仪器有限公司（先锋科技是卓立汉光子公司）深感荣幸能与西安交通大学电子科学与工程学院司金海教授及闫理贺教授团队并肩前行。经过他们多年的潜心钻研，团队在稳定超连续白光探测光产生、啁啾脉冲压缩以及微区弱信号高灵敏度检测等关键领域取得了令人瞩目的突破，并成功研发出飞秒时间分辨瞬态吸收光谱显微测量系统，这一成就不仅标志着我国在该领域的技术领先，更为科研界注入了新的活力。为了回馈科研界的支持与厚爱，并助力更多科研工作者深入了解与高效利用这一先进设备，司金海教授与闫理贺教授团队决定在特定时段内，为校内外用户提供免费的测样服务。作为长期以来的友好合作伙伴，卓立汉光深感自豪并全力支持这一举措。我们诚邀广大科研工作者把握此次难得的机会，通过西安交通大学大型仪器设备物联共享系统平台轻松预约测试，亲身体验这一尖端技术的魅力。

我们相信，此次免费测样服务不仅将为广大科研者带来前所未有的研究体验，更将激发新的科研灵感，助力科研成果的突破与转化。

飞秒时间分辨瞬态吸收光谱显微测量与成像系统

瞬态吸收和超快荧光光谱技术已被广泛应用于光物理和光化学动力学研究，为新材料及其器件设计提供了参考依据。目前瞬态吸收光谱技术时空分辨率一般在百余飞秒和数微米量级，无法用于观测特定微区内或光激发百飞秒内发生的载流子动力学过程。为此，课题组提出研制的超高时空分辨白光泵浦-探测瞬态吸收和超快荧光光谱显微成像系统，可用于光电功能材料与器件中异质结界面等特定微区带隙重整等超快动力学过程研究，具有重要科学意义和应用价值。该研究获2021年国家自然科学基金重大科研仪器研制项目立项资助。

课题组经过多年潜心研究，在稳定超连续白光探测光的产生、啁啾超连续白光脉冲压缩、泵浦光与探测光的极限聚焦匹配的关键科学与技术问题研究方面取得突破进展，为仪器的时间-空间分辨率和灵敏度等性能指标的提升提供了保障。目前，瞬态吸收光谱测量的时间和空间分辨率分别优于为30fs和300nm、灵敏度优于0.1mOD，各项核心技术指标处于国内外同类仪器的领先水平。

图1. 飞秒时间分辨瞬态吸收光谱显微测量系统硬件与测试软件

高时-空分辨瞬态吸收光谱测量系统的应用案例

课题组利用高时-空分辨微区瞬态吸收光谱测试系统研究了钙钛矿单晶薄膜中的光生载流子动力学。将飞秒时间分辨瞬态吸收与显微成像技术相结合，成功探测到钙钛矿单晶薄膜不同微区的瞬态吸收信号。通过对瞬态吸收光谱进行全局拟合分析，探明了包括热载流子冷却、缺陷态捕获和载流子复合等超快动力学过程，并揭示了边界处由浓度较高的缺陷态引起的激发态吸收现象。（Journal of Materials Chemistry C, 11, 3736-3742 (2023). [封面论文]）

图2. 单晶钙钛矿薄膜内部区域的瞬态吸收光谱

利用高时-空分辨微区瞬态吸收光谱测试系统，研究了聚合物太阳能电池（Polymer Solar Cells, PSCs）中引入强偶极矩添加剂(OFIB)对其活性层(PM6:L8BO)的形貌调控、分子堆积以及光电转换效率的影响及其光物理机制。通过飞秒瞬态吸收光谱测量探明了OFIB添加剂对活性层中光生激子的扩散及复合行为的超快动力学过程的影响，通过奇异值分解和全局拟合得到体系中主要存在的三个光物理过程：激子产生(EX)，电荷转移态（CTS）以及电荷分离态（CS）。与未使用添加剂调控的活性层相比，OFIB调控的聚合物活性层中的光生激子具有更长的电荷转移态寿命，复合几率减小，有利于激子在给受体界面分离，因此器件光电响应过程中可产生更高的电荷分离态产率和光电转换效率。优化后的器件表征结果证明，使用OFIB添加剂处理的PSCs实现了18.38%的光电转换效率，相较于未使用添加剂处理的器件性能显著提升了17%。（ACS Applied Materials & Interfaces, 14(5), 6945-6957 (2022)；Advanced Functional Materials, 34, 2310312 (2023).）

图3. 聚合物太阳电池材料PM6:L8BO和PM6:L8BO+OFIB薄膜的超快动力学表征

结合飞秒时间门选通荧光显微成像系统，课题组首次观测了微盘激光的时空演化过程，揭示了器件受激发射过程中光生载流子对其增益光谱、谐振模式等特性的影响机制，探明了激射超快过程的空间分布规律，发现了由于微腔侧壁结构缺陷导致的不同位置处激射动力学的差异，进一步提出通过构建2D/3D复合材料体系调控热载流子弛豫过程压缩激光线宽的策略。（Laser & Photonics Reviews, 2300533 (2023)；Advanced Optical Materials,12, 2400189 (2024).）

图4. 钙钛矿单晶微腔激射动力学研究

仪器推广与合作

目前该仪器样机已在纳入西安交通大学大型仪器设备物联共享系统（http://equip.xjtu.edu.cn/home/），校内外用户可通过平台预约测试，目前已为校内和十余家校外单位提供测试服务，合作研究成果相继在Advanced Materials、Angewandte Chemie等顶级期刊发表高水平学术论文。

测试服务联系人：黄金工程师，邮箱：huangjin1121@mail.xjtu.edu.cn

图5. 西安交通大学大型仪器设备物联共享系统

西安交通大学飞秒激光与超快光子技术科研团队

闫理贺教授来自西安交通大学电子科学与工程学院司金海教授团队，课题组多年来致力于超快非线性光学与超快光子技术、飞秒激光微纳加工技术等方面研究。闫理贺教授主要从事超高时-空分辨瞬态光谱技术、光电功能材料超快光物理响应机制研究等工作，致力于开发兼具有高时-空分辨率和高灵敏度的瞬态吸收光谱测量系统，并探索相关科研仪器在光电功能材料与器件研究中推广和应用，以第一/通讯作者身份先后在Advanced Functional Materials、Laser & Photonics Reviews、Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express 等学术期刊发表SCI论文60余篇。