基于太赫兹技术的水中电子超快动力学研究

The solvation dynamics of hydrated electron, as one of the simplest reactive species in chemistry and biology, is a complex process of ultrafast chemical kinetics. The featured spectra move from microwave, terahertz region through infrared to visible region after electron injected. Although there are a lot of studies of the solvated electron from the visible to the infrared region, the study in the terahertz region is limited. The THz-TDS has been demonstrated as an effective tool to investigate the ultrafast electron relaxation dynamics due to the low photon energy, short pulse duration and broadband spectra range. In this project, we will investigate the electron solvation dynamics in water using broadband THz-TDS, based on the studies in the infrared and visible regions. Ultrabroadband two-color laser induced air plasma terahertz system will be built up to monitor the water collective intermolecular vibrations and the photoconductivity simultaneously, thus investigating the electron solvation dynamics in femtosecond time scale. The work paves the way towards further understanding water’s character as a temporary liquid semiconductor, it will explain how the electron moves among polar water molecules and contribute to the molecular dynamics theory.

水合电子是化学与生物学等学科领域一种最简单的活性粒子，其在水分子中间的运动变化是一种复杂的超快动力学过程。电子注入水后的特征谱由最初的微波、太赫兹波段，经红外波段逐渐过渡到可见光波段。尽管在可见光至红外波段关于电子特性的研究已经很成熟，但是在太赫兹波段的研究却很匮乏。太赫兹时域频谱技术以其低光子能量、窄脉宽和宽频谱的特点，已经成为研究电子超快动力学的一种有效手段。本课题将采用宽带太赫兹时域频谱技术，在红外、可见光频谱技术研究的基础上进一步深入研究水中电子在飞秒时间尺度下的特性变化过程。本课题在我们前期工作的基础上搭建双色场宽带太赫兹频谱系统，通过太赫兹时域频谱技术同时探测水分子之间振动模式和电子电导率的变化，从而研究飞秒尺度下水中注入电子的超快动力学过程。这将揭示飞秒时间尺度下电子在极性水分子间的运动规律，对深入理解水作为临时液体半导体材料有重要意义，并为完善分子动力学理论提供支持。

电子作为基本的带电单元，研究电子注入水中的超快动力学响应对超快化学和生物反应具有重要的意义。电子在水中的溶解过程已经被研究了数十年，频谱技术覆盖了可见光到中红外波段，然而，在电子注入水后的百飞秒超快时间尺度下的动力学过程还有待进一步探索。已发表的关于水分子动力学的理论研究成果表明，电子注入水后的超快特征吸收谱在太赫兹频段。太赫兹时域频谱技术作为一种无接触式的新型探测手段，已经成为研究材料分子间振动模式和超快载流子特性的一种重要手段。通过超宽带太赫兹时域波谱技术，不仅可以探测到电子注入水后引起的电导率变化还能同时探测到水中振动吸收模式的变化。. 通过本项目的实验研究，发现了电子在水中的超快动力学特征频谱，观测到了水分子间的振动模式发生的红移变化。在电子引起电导率改变的同时，水的振动模式向低频方向移动。这一实验数据对研究水中电子的超快动力学具有重要的里程碑意义，它将揭示电子和极性水分子之间的超快作用过程。为了能够准确地分析实验数据，采用有限时域差分方法对实验结果进行数值模拟。有限时域差分方法不仅可以模拟材料的介电响应，也可以在材料中通过光泵浦的方式注入电子，通过设定注入电子的参数可以对实验数据进行准确的对比分析。通过测量比较水中电子引起的太赫兹频谱的变化，可以准确计算出电子的电导率。对于厚度可以忽略的金属层，可以使用薄膜近似的计算公式直接算出薄膜的电导率，但是对于水薄膜，光泵浦产生的电子注入层厚度不能忽略，为了简单准确地计算出水中电子电导率，详细分析了太赫兹的传输函数。在实验平台的搭建过程中，研究了不同掺杂情况下硅表面太赫兹的产生机理，研制了太赫兹椭偏仪。可以同时对两个正交方向的太赫兹偏振信号进行测量。