光電界面攜能載流子的時(shí)空演化與能源、催化和傳感等領(lǐng)域緊密相關(guān)，是近年來(lái)物理、化學(xué)和材料等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。載流子的遷移、分布和弛豫是影響材料功能的關(guān)鍵之所在，因此，利用高時(shí)空分辨成像技術(shù)觀測(cè)載流子時(shí)空演化對(duì)于新型材料基礎(chǔ)研究和應(yīng)用均具有重大意義。然而，極微弱載流子信號(hào)的測(cè)量是學(xué)界公認(rèn)的難題?？傮w而言，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟的儀器裝置能夠有效實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)信號(hào)放大，直接"看見"少量載流子仍是巨大的挑戰(zhàn)。
近日，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院生命分析化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室康斌/徐靜娟團(tuán)隊(duì)結(jié)合飛秒泵浦-探測(cè)技術(shù)和干涉散射顯微術(shù)，研制成國(guó)際上首臺(tái)飛秒干涉散射顯微鏡（Femto-iSCAT），并成功獲得發(fā)明專利授權(quán)（專利號(hào)：202110510123.X）。該儀器作為一個(gè)通用測(cè)量平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了超靈敏、高通量觀測(cè)各種材料中的載流子遷移、分布和弛豫動(dòng)力學(xué)。通過(guò)干涉放大效應(yīng)和空間光場(chǎng)調(diào)制，瞬態(tài)圖像對(duì)比度相比于傳統(tǒng)方法提升了2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，可探測(cè)極微弱載流子信號(hào)，從而有利于揭示超導(dǎo)材料、二維材料及新型光電材料中的稀奇科學(xué)現(xiàn)象。
隨后作者展示了Femto-iSCAT的一系列極具挑戰(zhàn)的應(yīng)用場(chǎng)景，包括常用光電器件如金屬薄膜、硅基半導(dǎo)體和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的界面載流子/熱擴(kuò)散遷移，單個(gè)等離激元微納顆粒中的不均勻熱電子分布和弛豫，以及二維材料中的載流子/激子在邊緣態(tài)的獨(dú)特動(dòng)力學(xué)。Femto-iSCAT相比于傳統(tǒng)瞬態(tài)顯微鏡，極大拓展了材料的適用范圍，以極高靈敏度和檢測(cè)通量實(shí)現(xiàn)了載流子時(shí)空演化的多功能成像，助力界面能量和載流子轉(zhuǎn)移等超快過(guò)程的研究。
該工作以"Decrypting Material Performance by Wide-field Femtosecond Interferometric Imaging of Energy Carrier Evolution"為題，于2022年7月22日發(fā)表在Journal of the American Chemical Society（美國(guó)化學(xué)會(huì)志）。博士生呂品田為該論文第一作者，康斌副教授和徐靜娟教授為論文通訊作者，陳洪淵院士對(duì)該工作的研究思想做出了重要指導(dǎo)。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、南京大學(xué)卓越研究計(jì)劃、南京大學(xué)生命分析化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題等資助。
