近日，我所化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究中心分子光化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究組袁開(kāi)軍研究員團隊與北京航空航天大學(xué)李介博副教授等合作，利用飛秒時(shí)間分辨光譜，實(shí)現了MXene/分子復合體系界面熱電子和分子的超快動(dòng)力學(xué)實(shí)時(shí)觀(guān)測。實(shí)驗揭示了MXene表面熱電子直接轉移以及熱電子散射的超快過(guò)程，加深了對二維材料超短時(shí)間尺度動(dòng)力學(xué)的理解。
光驅動(dòng)的等離激元誘導化學(xué)反應是調控納米材料化學(xué)性質(zhì)的重要手段。從超快時(shí)間尺度上理解能量如何從金屬傳遞到附著(zhù)在界面上的分子（電子轉移和熱傳遞），對于調控反應速率和反應選擇性具有重要意義。當光激發(fā)金屬時(shí)，電子能量超過(guò)其費米能級，會(huì )產(chǎn)生高能電子（非熱化的熱電子，non-thermalized hot electron）。這些熱電子在百飛秒時(shí)間內的電子-電子散射過(guò)程中持續存在，最終達到電子熱化狀態(tài)并遵循費米-狄拉克分布。在金屬/分子復合體系中，分子可以作為受體，接受熱電子或熱晶格能量。
本工作中，團隊利用飛秒時(shí)間分辨光譜研究了二維過(guò)渡金屬碳化物（MXene）與一系列染料分子復合體系，揭示了兩種不同的熱電子動(dòng)力學(xué)過(guò)程。實(shí)驗表明，在MXene/亞甲基藍分子體系，熱電子不經(jīng)歷電子散射，直接從MXene轉移到附著(zhù)的亞甲基藍分子；在MXene/羅丹明分子體系，熱電子主要通過(guò)界面電子散射，散射失去的熱能在約125飛秒內轉移給羅丹明分子。改變激發(fā)波長(cháng)以及表面分子可以調控以上兩種熱電子弛豫通道。該研究為理解納米尺度界面的復雜能量傳輸過(guò)程提供了重要的實(shí)驗證據，有望為設計更高效的能量轉換和光催化反應系統提供指導。
相關(guān)成果以“Real-time observation of two distinctive non-thermalized hot electron dynamics at MXene/molecule interfaces”為題，于近日發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。該工作的第一作者是我所1117組博士后張琦。該工作得到國家自然科學(xué)基金委、國家自然科學(xué)基金委基礎科學(xué)中心、中國科學(xué)院關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)團隊等項目的資助。（文/圖 張琦）
