光電界面攜能載流子的時空演化與能源、催化和傳感等領域緊密相關，是近年來物理、化學和材料等領域的研究熱點之一。載流子的遷移、分布和弛豫是影響材料功能的關鍵之所在，因此，利用高時空分辨成像技術觀測載流子時空演化對于新型材料基礎研究和應用均具有重大意義。然而，極微弱載流子信號的測量是學界公認的難題。總體而言，國內外尚無成熟的儀器裝置能夠有效實現瞬態信號放大，直接看見少量載流子仍是巨大的挑戰。
近日，我室康斌/徐靜娟團隊結合飛秒泵浦-探測技術和幹涉散射顯微術，研制成國際上首台飛秒幹涉散射顯微鏡（Femto-iSCAT），並成功獲得發明專利授權（專利號：202110510123.X）。該儀器作爲一個通用測量平台，實現了超靈敏、高通量觀測各種材料中的載流子遷移、分布和弛豫動力學。通過幹涉放大效應和空間光場調制，瞬態圖像對比度相比于傳統方法提升了2個數量級以上，可探測極微弱載流子信號，從而有利于揭示超導材料、二維材料及新型光電材料中的稀奇科學現象。
圖. 飛秒幹涉散射成像原理
隨後作者展示了Femto-iSCAT的一系列極具挑戰的應用場景，包括常用光電器件如金屬薄膜、矽基半導體和鈣钛礦太陽能電池中的界面載流子/熱擴散遷移，單個等離激元微納顆粒中的不均勻熱電子分布和弛豫，以及二維材料中的載流子/激子在邊緣態的獨特動力學。Femto-iSCAT相比于傳統瞬態顯微鏡，極大拓展了材料的適用範圍，以極高靈敏度和檢測通量實現了載流子時空演化的多功能成像，助力界面能量和載流子轉移等超快過程的研究。
該工作以Decrypting Material Performance by Wide-field Femtosecond Interferometric Imaging of Energy Carrier Evolution爲題，于2022年7月22日發表在Journal of the American Chemical Society（美國化學會志）。博士生呂品田爲該論文第一作者，康斌副教授和徐靜娟教授爲論文通訊作者，陳洪淵院士對該工作的研究思想做出了重要指導。該工作得到了國家自然科學基金、南京大學卓越研究計劃、南京大學尊龙凯时 - 人生就是搏!自主研究課題等資助。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c05735
DOI：https://doi.org/10.1021/jacs.2c05735
