電子超快相干轉移動力學及電子-空穴複合的微觀機理研究取得進展

中國科學技術大學教授趙瑾研究組與美國匹茲堡大學教授 Hrvoje Petek 合作，在金屬納米顆粒與石墨界面的電子超快相干轉移及摻雜半導體中電子-空穴複合的微觀機理研究中取得新進展。

通常，金屬/半導體（半金屬）異質界面的電子轉移需要首先激發熱電子，然後熱電子跨越界面勢壘（例如肖特基勢壘），進而完成電子轉移。然而，熱電子的壽命很短，勢壘的存在極大地限制了電子轉移的效率。高效的電子轉移通常依賴於特定的物理過程，例如質子耦合電子轉移、共振相干等。基於超快光學的實驗方法例如瞬態光譜、和頻光譜等被廣泛用來表徵電荷轉移，但目前還沒有實驗方法可以在電荷轉移的超快過程中直接描述相干這一物理過程。

Hrvoje Petek 與趙瑾合作，通過發展多維相干時間分辨光電子能譜技術與第一性原理計算的結合，證實了 Ag/Graphite 界面超快電荷轉移過程的相干性。實驗發現，Ag 在石墨表面吸附所產生的佔據界面態中的電子，在雙光子激發下，轉移到石墨的未佔據層間態。通過對三維時間分辨譜的傅里葉變換分析結合躍遷偶極距的理論計算，獲得了界面電子轉移過程中共振相干的直接證據，並揭示這一電子轉移過程在Physical Review Letters上，Hrvoje Petek 與趙瑾教授為共同通訊作者，第一作者為博士譚世倞。

此外，趙瑾研究組研究了半導體雜質摻雜導致的激發態電子空穴的複合問題。大量理論工作提出，半導體材料中離子摻雜可以改變半導體的能隙與光吸收性質，可用於提高半導體材料太陽能轉化效率。然而，離子摻雜在改變半導體能隙的同時也引入了可能的電子-空穴複合中心，什麼樣的摻雜會導致電子-空穴的迅速複合，仍未有研究從第一性原理計算的角度給出清晰圖像。趙瑾研究組以摻雜 TiO2為原型材料，利用自己發展的 Hefei-NAMD 程序研究了摻雜半導體中的電子-空穴複合動力學及其物理機制。研究發現，摻雜離子引入的雜質聲子的局域程度是決定電子-空穴複合的關鍵因素。以 TiO2為例，非飽和共摻雜（如 Cr-N 摻雜）會引入非常彌散的雜質聲子，與周邊的 TiO2原子有很強的耦合，導致電子-空穴在幾個皮秒之內複合。相反，飽和共摻雜（如 V-N 摻雜）引入的雜質模式非常局域，與周邊的 TiO2原子耦合很弱，電子-空穴複合的時間尺度可以保持在納秒量級。更進一步的計算表明，TiO2中電子-空穴複合的時間尺度與雜質聲子的局域度存在指數關係，因此雜質聲子的局域程度可以作為一個判斷半導體材料中電子-空穴複合時間的重要因子。相關研究成果發表在Nano Letters上，物理系博士生張麗麗與微尺度物質科學國家研究中心博士鄭奇靖為共同第一作者，趙瑾為通訊作者。

上述研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院等的資助。

圖1. Ag/Graphite 界面超快相干電荷轉移

圖2.聲子局域度影響電子-空穴複合時間

來源：中國科學技術大學

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