Excipolar Spinon_瞬态吸收光谱应用

瞬态吸收光谱

利用两束超短脉冲，其中一束能量较高的作为泵浦光激发样品粒子至激发态，使部分粒子从基态跃迁至激发态，导致材料的吸收特性发生变化；另一束脉冲通过聚焦在非线性晶体上产生超连续白光作为探测光。随后，探测光相对泵浦光在不同时间延迟下入射样品，通过探测不同延迟时间下，被激发材料对探测光的吸收或者反射的差值，就可以得到载流子超快动力学过程。这一方法能够有效解析电子跃迁、载流子弛豫、能量转移等超快过程。

图1 瞬态吸收原理图

瞬态吸收光谱应用

1.有机太阳能电池（OSCs）

用于通道区分、速率与产率量化、受体与工艺筛选、损失机理识别以及形貌与能级驱动力与器件表现的关联。例如，利用瞬态吸收监测给体/受体的基态漂白（GSB）、激发态吸收（ESA）与电荷诱导吸收（CIA）随时间的演化，可清晰区分“激子—界面CT态—自由电荷”三类通道；另外，通过全局拟合获得激子解离、电子/空穴转移、CT态分离与回传复合的时间常数与产率，用以判定限速环节；再结合不同受体、配比与退火/添加剂条件的对比，快速筛选高效体系，并通过通量依赖识别同偶/异偶复合与陷阱捕获等非辐射损失；同时把相分离尺度、取向结晶度与能级错配对解离与分离概率的影响量化，并将所得动力学参数与EQE、PL淬灭和J–V行为对应，指导提升Jsc、Voc与FF。（参考文献：Tang et al., Nat Commun 16, 1784 (2025)）

图2. 飞秒瞬态吸收研究有机太阳能电池中电荷转移动力学

2.量子点

载流子生成与损失通道、界面电荷分离效率和能级匹配。例如，利用飞秒泵浦-探测监测基态漂白/光致吸收随延迟的演化，可区分激子衰减与电子/空穴跨界面转移，并在本征 CsPbBr₃量子点中判定陷阱少、寿命纳秒级；在加入电子受体或空穴受体的体系中，可读出几十皮秒级的转移与纳秒级回传复合，据此评估电荷分离产率与界面能级匹配。另外，通过通量依赖与全局拟合可识别多激子/Auger贡献，并把速率常数与PL 量子效率/器件表现建立对应，从而量化界面工程效果。（参考文献：Chem et al., Soc. 2015, 137, 40, 12792-12795）

图3. CsPbBr3能级示意图（左）；QD-BQ 和 QD-PTZ 复合物的 TA 光谱和动力学（右）

3.催化

在光催化体系中，飞秒瞬态吸收（TA）用于解析从激发到纳秒尺度的电荷转移动力学，区分带边与高能（热载流子）路径，并以谱指纹（GSB/ESA/CIA）定量得到电子/空穴注入速率 kinj、回传速率 kback与分离寿命 τsep。这些速率常数与表观量子产率/选择性建立可比对照，可定位限速与损失通道（如同偶复合、陷阱捕获），进而指导能级匹配、耦合强度/配体工程与光源谱形的优化，实现对反应路径与催化效率的可工程化提升。（参考文献：Sophie et al, Nat Commun 13, 845 (2022)）

图4. 在 530 nm 激发下，给出 TpBpy 与 Re-TpBpy 的 TA 光谱及 SVD 拟合

4.二维层状材料

瞬态吸收（TA）为二维层状材料提供超快动力学的直观量化：在飞秒—纳秒尺度上分辨激子冷却与解离、层内/层间电荷与能量转移，并测得寿命、转移动力学常数与非辐射复合/陷阱比例；对比不同层数、堆垛方式与异质结，可评估层间耦合与能级匹配对载流子分离与回传的影响；结合功率与温度依赖，还能识别多体效应（如三激子、激子–声子耦合）与扩散长度变化，从而为厚度工程、界面设计与环境封装优化提供可执行的机理依据。（参考文献：QinY et al.,Opt. Lett. 50, 4902-4905 (2025)）

图5. 400 nm激发下CuCrP2S6纳米片TA光谱

5.生物分子

激发态通道、构象响应与微环境效应。例如，对光合复合体、视紫红质及卟啉/血红素等色团，瞬态吸收通过监测基态漂白（GSB）/受激发射（SE）/激发态吸收（ESA）随时间的演化，区分单线态、三重态与自由基中间体，定量能量/电子转移及构象松弛的寿命和速率；另外，可无标记评估光敏剂在细胞与组织中的三重态形成与活性氧（如¹O₂）前体，并表征药物—蛋白结合/解离与光毒性风险。通过通量依赖与全局拟合、在有氧/脱氧条件下的对比以及谱形与符号判据，能够得到三重态量子产率、自由基产额与转移效率，从而把分子结构与生物功能建立起时间分辨的因果联系。（参考文献：Botao et al., Nano Today,47: 101681 (2022)）

图6. 人工光合体系实现二氧化碳固定和高附加值化学品生产的原理图（左）；低生物毒性的量子点引入到非光合细菌中，构建了一种人工光合作用体系。该体系能够实现二氧化碳到乙酸的高效转化，整个过程的光利用率可以达到6%以上。不同体系的瞬态吸收光谱及其衰减动力学结果（右）

6.化学反应机制

反应中间体识别、通道区分与速率常数提取。例如，瞬态吸收通过监测 GSB/ESA/SE 的时谱，直接捕捉飞秒—纳秒尺度的自由基、激发复合体（exciplex）、CT 态等短寿命中间体，区分并行/串联反应路径与前向转移—回传复合；再借助通量、波长、溶剂与温度依赖及全局拟合，定量电子/能量/质子耦合转移（PCET）的速率、分支比与寿命，并由 Arrhenius 或 Eyring 关系估算活化能/焓熵项；同时结合同位素替换与极性/粘度效应，判断溶剂笼效应、扩散受限与陷阱捕获的贡献，从而把光致驱动的微观过程与宏观量子产率与选择性建立起时间分辨的因果联系。（参考文献：Matthew et al., Chemical science, 2022, 13(2): 486-496）

图7. 0.1 M乙酸缓冲液(pH 4.9)和0.2 M KCl体系中1.1 mM AQS的瞬态吸收光谱，以伪彩色图形式展示330 nm光激发引起的光密度变化(ΔmOD)