金属有机单层（MOL）上量子相干能量转移

Ultrafast "quantum coherent" energy transfer plays an important role in light harvesting during photosynthesis. Unlike classical energy transfer, the energy transfer at the "femtosecond-picosecond" time scale can occur before the "dephasing" of the excited state. Rules governing these ultrafast energy transfer is closely related to the "localization" of the quantum state. The structural interlocking of dye molecules by the protein backbone is one of the key factors in the biological system to obtain longer "coherence time" to assist the ultrafast energy transfer. Metal organic layer (MOL) is a two-dimensional network structure in which organic ligands and metal ions are alternately connected through coordination bonds. The organic ligands have a fixed position and a clear structure, and the intermolecular electron coupling strength is similar to that in photosynthesis system. The project intends to use MOL to construct an artificial photosynthetic network. Based on the design of materials and controllable chemical modification, the project uses the femtosecond transient absorption spectra, two-dimensional spectra and the femtosecond transient circular dichroism spectra to study the influence of molecules on the "quantum coherent" through metal ion interlocking and strategies to extend the coherence time. We also aim to explore the quantitative law of "quantum coherent" energy transfer to achieve directional energy transmission, in hope to provide new principles and new methods for designing highly efficient artificial light energy conversion system.

光合作用中吸光网络“量子相干”的超快能量转移扮演重要角色。不同于经典的能量转移，“飞秒-皮秒”时间尺度的能量转移可发生在激发态“退相干”之前，其定向转移规律与量子态的“定域化”密切相关。染料分子通过蛋白骨架的结构互锁是生物体系获得较长“相干时间”，从而协助超快能量转移的关键因素之一。二维金属有机单层化合物（MOL）是由有机配体和金属离子通过配位键交替连接的二维网络结构，其中有机配体位置固定、结构清晰，其分子间电子耦合强度与光合作用系统类似。本项目拟利用MOL构建人工光合网络，通过飞秒瞬态吸收光谱、二维光谱和飞秒瞬态圆二色光谱，结合材料的设计和可控化学修饰，研究网络中分子通过金属离子互锁对“量子相干”的影响，延长相干时间，探究“量子相干”能量转移的定量规律，实现定向能量传输，为设计高效人工光能转换体系提供新原理和新方法。

超快能量转移与电子转移是光电转换体系光能转换的第一步。本项目在以超快飞秒激光为基础的表征手段帮助下，展开基于金属有机框架（MOF）、金属有机单层（MOL）以及有机聚合物、小分子混合物体系的超快能量转换和电子转移的研究，同时发展和研发基于超快飞秒激光的表征手段。.以Pt-TCPP和Pd-TCPP为配体，Zr氧簇和Hf氧簇为金属节点，合成了两种结构相同，金属节点不同的MOF，研究配体间经由锆/铪氧簇的能量转移过程。结果显示，Pt-TCPP经由Hf氧簇向Pd-TCPP的能量转移速率比其经由锆氧簇要快。该结果突出了金属节点电子结构对光物理性质的影响，并为基于三重态激子的高性能集光网络的设计提供了指导。.发现当使用飞秒激光作为激发源时，基于9,10-二苯蒽配体和锆金属节点合成的一系列UiO结构、、hcp-UiO结构的纳米MOFs以及二维MOLs材料可以通过双光子吸收（TPA）产生上转换荧光，而无需添加三重态光敏剂。同时也发现通过MOL来固定配体H3TCBPA，配体与MOL的金属氧簇节点 (SBU) 配位，改变了配体激发态的电荷分布，其双光子吸收截面提高了近一个数量级。该结果对突破分子双光子吸收截面偏小的瓶颈有积极指导意义。.发现了一个具有成分耐受性能的全聚合物有机太阳能共混体系。在超快光谱学的帮助下，富施主薄膜中的整体高载流子产率应该是良好的FF耐受性的原因。这些结果有利于保持有机太阳能电池大面积加工的光伏性能。发展了偏振选择瞬态吸收光谱技术，并成功应用于有机太阳能电池混合物本体异质结的界面分子构效关系研究中。比较体系的光电功率转换效率，我们发现当给受体分子之间排列规整时，其效率较高（ZR1:Y6和B1:BO-4Cl大于BTR:BO-4Cl），并且当给受体分子平行排列（B1:BO-4Cl）时，其效率最高。线性偏振瞬态吸收光谱可以精确确定异质结界面分子之间的取向，对界面构效关系的研究提供强有力的助力。