中国科大在激发态载流子动力学与能量转换过程的微观机理研究中获进展

在凝聚态物理领域，利用第一性原理计算研究凝聚态体系基态的物理性质已较为成熟，然而对于激发态性质的描述，尤其是激发态载流子动力学，仍存在很大挑战。近日，中国科学技术大学物理学院与合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心教授赵瑾研究组，在激发态动力学及相关能量转换的微观机理方面取得系列进展，相关研究成果相继发表在Journal of the American Chemical Society、Nano Letters和Nature Photonics上。

针对凝聚态体系中激发态动力学问题，赵瑾研究组开发了原创性的非绝热分子动力学计算软件程序包Hefei-NAMD，能够同时从时间、空间、动量与能量等多个尺度对激发态载流子的动力学进行描述，同时可以用来研究激发态载流子与声子、极化子、缺陷、边界等的相互作用。2016年，研究组利用该方法模拟CH3OH/TiO2界面的空穴动力学过程，揭示该界面分子捕获空穴的关键因素（图1）。

继该工作之后，2017年研究人员利用非绝热分子动力学方法研究二维范德华异质结界面的超快电荷转移过程，发现电声耦合在界面的电荷超快转移过程中起重要作用，MoS2/WS2界面的超快电荷转移为层内光学支声子辅助而进行（图2）。该研究揭示了二维范德华异质结界面超快电荷转移的物理机制，对此类材料在太阳能转化及光电器件等方面的应用起指导作用。

近日，赵瑾与美国匹兹堡大学教授HrvojePetek理论与实验合作，揭示金属与半导体界面的等离激元耦合的微观物理机制。在金属半导体异质结中，激发金属纳米颗粒的等离激元共振可以有效地增强半导体材料的光催化及光伏效应。长期以来，人们对等离激元增强效应的机制有多种理解，包括量子限域效应、等离激元-激子耦合、热电子转移等。等离激元共振增强的热电子是这个过程中的能量载体。然而，对于热电子是从金属纳米颗粒中转移到半导体，还是由界面的等离激元耦合而直接在半导体中激发，一直存在争论。传统实验方法无法直接表征飞秒尺度的热电子过程，通过时间分辨的双光子光电子能谱结合第一性原理计算，研究了Ag纳米颗粒在TiO2(110)表面的等离激元共振与热电子能量转化的问题。通过超快时间、能量和空间上的光电子谱表征，揭示了Ag/TiO2界面的热电子主要来源于界面态及TiO2衬底，证明在小于10飞秒时间尺度内，界面的等离激元耦合及退激发而实现的能量转移过程（图3）。

研究工作得到了国家自然基金委、科技部、中科院和教育部的资助。

图1.TiO2/CH3OH界面超快空穴转移过程

图2.声子辅助的MoS2/WS2界面超快电荷转移

图3.金属纳米颗粒与半导体界面等离激元耦合