应用超快红外纳米光谱研究Au/TiO2界面电荷转移动力学

Plasmon nanostructures with efficiently solar energy utilization have been widely used to improve the efficiency of photocatalysis and photovoltaics cells, which processes usually involve photogenic carrier interfacial charge transfer. While a systematic differentiation of electron-transfer mechanism in plasmonic metal/semiconductor heterostructure system has not been thoroughly developed. For example, the correlation of plasmon near-field distribution and carrier density distribution; achieving simultaneous temporal and spatial resolutions of interfacial charge transfer dynamics. Conventional far-field spectroscopy and ultrafast microscopy imaging cannot provide the nano-spatial resolution ultrafast dynamics information due to the limitations of optical diffraction limits Here, we would map the correlation imaging of plasmon near-field distribution and carrier density distribution by scattering-type scanning near-field optical microscopy (s-SNOM) with 20-nm spatial resolution; and determine the plasmon-induced interfacial charge transfer mechanisms by ultrafast Fourier transform infrared nanospectroscopy. In addition, the influence of morphology, size and crystal surfaces of TiO2 on interfacial charge transfer will be further investigated. These basic researches can provide a new understanding of interfacial charge transfer mechanism at the nanometer scale. It would provide a clear physical diagram of interfacial charge transfer mechanisms and a reference for the improvement and design of the next generation of photocatalytic and photoelectric conversion materials.

等离激元纳米结构因可高效利用太阳能和产生热电子而被应用于提高光催化以及光伏电池效率，其过程通常涉及等离激元/半导体异质结界面电荷转移。迄今为止人们对纳米金等离激元局域场分布与热电子的空间分布关系以及在纳米尺度的界面上对电子转移动力学过程的认识都很有限。传统远场光谱或超快显微镜成像因受光学衍射极限的限制不能提供纳米空间分辨超快动力学信息，本项目拟采用具有好于20纳米分辨的散射型近场光学显微镜探索Au/TiO2界面上等离激元局域场分布与热电子分布的关系；采用具有时间分辨和空间分辨的超快红外纳米光谱，对Au/TiO2界面热电子转移机制及在TiO2中的传输动力学过程展开研究；探究纳米金的形貌、尺寸、TiO2晶面对热电子界面转移的影响。本项目利用超快纳米光谱研究Au/TiO2界面热电子转移过程有望在纳米尺度上揭示界面电子转移机制、传输动力学过程，为改善和设计下一代光催化及光电转换材料提供参考。

电荷载流子在能源材料界面的物理化学行为是能源材料化学中广泛存在的最基本科学问题。如光催化以及太阳能电池所涉及的光生载流子的分离和转移，在微观尺度上通常发生在材料界面的空间电荷层。如何对界面结构的空间电荷层结构进行原位探测是研究该问题的关键。由于界面空间电荷层的特征尺寸通常在亚纳米和几十纳米尺度，因此研究载流子在纳米界面的空间分布需要几十纳米空间分辨光谱的技术。迄今为止，仍然缺乏对空间电荷层的原位探测。通过本项目的研究，采用具有20 nm空间分辨的散射型近场扫描光学显微镜，原位探测界面的空间电荷层，完成了两个研究工作。一是基于钙钛矿太阳能电池的表界面结构与光生载流子界面传输过程，涉及钙钛矿体系的基本科学问题。通过关联基于散射型近场扫描光学显微镜的红外光谱纳米成像方法和开尔文探针力显微镜方法，在稳态光激发条件下，定量揭示了钙钛矿多晶薄膜中电子在晶界处的累积行为。这些基础研究能够为光电转化材料中界面电荷载流子空间分布以及传输等光物理过程提供清晰的物理图像，为改善和设计下一代光电转换材料提供基础。另外，在纳米尺度揭示SrTiO3/TiO2界面载流子的纳米空间布居；利用对材料结构和电子性质都敏感的傅里叶变换红外纳米光谱，在纳米尺度上揭示载流子（电子性质）与和声子（材料的结构信息）耦合行为。在纳米到微米尺度上揭示载流子在界面的空间布居，对于深刻认识界面载流子的物理化学行为至关重要。这些基础研究能够为进一步理解载流子在界面处表现出不同于体相的物理化学行为提供新的认识，为能源材料中界面电荷载流子空间布居等物理化学行为提供清晰的物理图像。