基於太赫茲技術的水中電子超快動力學研究

《基於太赫茲技術的水中電子超快動力學研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由王天武擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於太赫茲技術的水中電子超快動力學研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王天武
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

水合電子是化學與生物學等學科領域一種最簡單的活性粒子，其在水分子中間的運動變化是一種複雜的超快動力學過程。電子注入水後的特徵譜由最初的微波、太赫茲波段，經紅外波段逐漸過渡到可見光波段。儘管在可見光至紅外波段關於電子特性的研究已經很成熟，但是在太赫茲波段的研究卻很匱乏。太赫茲時域頻譜技術以其低光子能量、窄脈寬和寬頻譜的特點，已經成為研究電子超快動力學的一種有效手段。本課題將採用寬頻太赫茲時域頻譜技術，在紅外、可見光頻譜技術研究的基礎上進一步深入研究水中電子在飛秒時間尺度下的特性變化過程。本課題在我們前期工作的基礎上搭建雙色場寬頻太赫茲頻譜系統，通過太赫茲時域頻譜技術同時探測水分子之間振動模式和電子電導率的變化，從而研究飛秒尺度下水中注入電子的超快動力學過程。這將揭示飛秒時間尺度下電子在極性水分子間的運動規律，對深入理解水作為臨時液體半導體材料有重要意義，並為完善分子動力學理論提供支持。

結題摘要

電子作為基本的帶電單元，研究電子注入水中的超快動力學回響對超快化學和生物反應具有重要的意義。電子在水中的溶解過程已經被研究了數十年，頻譜技術覆蓋了可見光到中紅外波段，然而，在電子注入水後的百飛秒超快時間尺度下的動力學過程還有待進一步探索。已發表的關於水分子動力學的理論研究成果表明，電子注入水後的超快特徵吸收譜在太赫茲頻段。太赫茲時域頻譜技術作為一種無接觸式的新型探測手段，已經成為研究材料分子間振動模式和超快載流子特性的一種重要手段。通過超寬頻太赫茲時域波譜技術，不僅可以探測到電子注入水後引起的電導率變化還能同時探測到水中振動吸收模式的變化。 通過本項目的實驗研究，發現了電子在水中的超快動力學特徵頻譜，觀測到了水分子間的振動模式發生的紅移變化。在電子引起電導率改變的同時，水的振動模式向低頻方向移動。這一實驗數據對研究水中電子的超快動力學具有重要的里程碑意義，它將揭示電子和極性水分子之間的超快作用過程。為了能夠準確地分析實驗數據，採用有限時域差分方法對實驗結果進行數值模擬。有限時域差分方法不僅可以模擬材料的介電回響，也可以在材料中通過光泵浦的方式注入電子，通過設定注入電子的參數可以對實驗數據進行準確的對比分析。通過測量比較水中電子引起的太赫茲頻譜的變化，可以準確計算出電子的電導率。對於厚度可以忽略的金屬層，可以使用薄膜近似的計算公式直接算出薄膜的電導率，但是對於水薄膜，光泵浦產生的電子注入層厚度不能忽略，為了簡單準確地計算出水中電子電導率，詳細分析了太赫茲的傳輸函式。在實驗平台的搭建過程中，研究了不同摻雜情況下矽表面太赫茲的產生機理，研製了太赫茲橢偏儀。可以同時對兩個正交方向的太赫茲偏振信號進行測量。