顆粒在線訊：近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所光電材料動力學(xué)研究組研究員吳凱豐團隊在低維材料電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)研究方面取得新進展，首次觀測到低維材料電荷轉(zhuǎn)移的Marcus反轉(zhuǎn)區(qū)間。

　　電荷轉(zhuǎn)移是光合作用、生物信號傳導(dǎo)及各類能源轉(zhuǎn)化中的關(guān)鍵步驟。以Rudolph Marcus為代表的科學(xué)家自上世紀50年代以來對電荷轉(zhuǎn)移進行了理論研究。Marcus理論預(yù)測了電荷轉(zhuǎn)移的反轉(zhuǎn)區(qū)間：當反應(yīng)驅(qū)動力大于重組能之后，轉(zhuǎn)移速率隨驅(qū)動力增加而降低。該預(yù)測長期存在爭議，直到上世紀80年代，Miller等人基于新興的飛秒瞬態(tài)光譜技術(shù)，在實驗上直接觀測到分子間電荷轉(zhuǎn)移的反轉(zhuǎn)區(qū)間。

　　低維材料如量子點、碳納米管、二維材料等在光電器件和能源轉(zhuǎn)化中展現(xiàn)出巨大潛力，這些應(yīng)用的核心過程之一是低維材料的電荷轉(zhuǎn)移。研究人員對低維材料的電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)進行了廣泛研究，然而，之前以量子點為主的研究工作表明，其電荷轉(zhuǎn)移速率往往隨驅(qū)動力增加而單調(diào)增加，尚未觀測到Marcus反轉(zhuǎn)區(qū)間。有研究人員提出了Auger輔助電荷轉(zhuǎn)移的可能性：量子點中電子-空穴之間存在強烈的庫倫耦合作用，其中一個電荷轉(zhuǎn)移的多余驅(qū)動力可用于激發(fā)另一電荷，從而回避了Marcus反轉(zhuǎn)區(qū)間。吳凱豐團隊提出，若能建立方法研究單獨存在的電子或空穴態(tài)的電荷轉(zhuǎn)移，則有望觀測到Marcus反轉(zhuǎn)區(qū)間，并能成為Auger輔助模型的強有力證據(jù)。

　　吳凱豐團隊近期對無機量子點/有機分子界面處的電荷和能量轉(zhuǎn)移動力學(xué)開展研究。在前期“自旋調(diào)控電荷復(fù)合動力學(xué)”的研究工作基礎(chǔ)上，科研人員提出研究量子點單電荷轉(zhuǎn)移的動力學(xué)方法：可先激發(fā)量子點表面的有機分子，將電荷注入到量子點中，獲得瞬態(tài)布居的單電荷態(tài)，進而觀測后續(xù)復(fù)合過程的電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)；也可激發(fā)量子點轉(zhuǎn)移一個電荷至分子，然后觀測后續(xù)第二步電荷轉(zhuǎn)移生成分子三線態(tài)的動力學(xué)?？蒲腥藛T構(gòu)建了CdS量子點/茜素分子的模型體系，通過量子點尺寸調(diào)控電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動力，基于飛秒瞬態(tài)吸收光譜直接觀測到了量子點電荷轉(zhuǎn)移的Marcus反轉(zhuǎn)區(qū)間。考慮到電子-空穴強烈耦合是低維材料的普遍特征，上述結(jié)果對低維材料應(yīng)具有普適性。為證明這一點，科研人員還采用二維CdSe納米片開展研究，取得了一致的結(jié)論，將零維量子點和二維納米片在單電荷狀態(tài)下的電荷轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)整合到一起，獲得了Marcus電荷轉(zhuǎn)移曲線。

　　該工作深化了對低維材料及其電荷轉(zhuǎn)移機制的理解，對指導(dǎo)低維材料能源轉(zhuǎn)化具有重要意義。以低維材料作為吸光單元進行能源轉(zhuǎn)化時，第一步電荷轉(zhuǎn)移可能遵從的是Auger輔助的模型，而第二步轉(zhuǎn)移則符合典型的Marcus理論模型。設(shè)計電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動力時應(yīng)分別參考這兩種模型，從而最大程度促進電荷分離以及抑制電荷復(fù)合。

　　相關(guān)研究成果以Marcus Inverted Region of Charge Transfer from Low-dimensional Semiconductor Materials”為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、中科院青年創(chuàng)新促進會等的資助。

大連化物所觀測到低維材料電荷轉(zhuǎn)移的Marcus反轉(zhuǎn)區(qū)間