瞬態(tài)吸收光譜

利用兩束超短脈沖，其中一束能量較高的作為泵浦光激發(fā)樣品粒子至激發(fā)態(tài)，使部分粒子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，導致材料的吸收特性發(fā)生變化；另一束脈沖通過聚焦在非線性晶體上產生超連續(xù)白光作為探測光。隨后，探測光相對泵浦光在不同時間延遲下入射樣品，通過探測不同延遲時間下，被激發(fā)材料對探測光的吸收或者反射的差值，就可以得到載流子超快動力學過程。這一方法能夠有效解析電子躍遷、載流子弛豫、能量轉移等超快過程。

圖1 瞬態(tài)吸收原理圖

瞬態(tài)吸收光譜應用

1.有機太陽能電池（OSCs）

用于通道區(qū)分、速率與產率量化、受體與工藝篩選、損失機理識別以及形貌與能級驅動力與器件表現(xiàn)的關聯(lián)。例如，利用瞬態(tài)吸收監(jiān)測給體/受體的基態(tài)漂白（GSB）、激發(fā)態(tài)吸收（ESA）與電荷誘導吸收（CIA）隨時間的演化，可清晰區(qū)分“激子—界面CT態(tài)—自由電荷”三類通道；另外，通過全局擬合獲得激子解離、電子/空穴轉移、CT態(tài)分離與回傳復合的時間常數(shù)與產率，用以判定限速環(huán)節(jié)；再結合不同受體、配比與退火/添加劑條件的對比，快速篩選高效體系，并通過通量依賴識別同偶/異偶復合與陷阱捕獲等非輻射損失；同時把相分離尺度、取向結晶度與能級錯配對解離與分離概率的影響量化，并將所得動力學參數(shù)與EQE、PL淬滅和J–V行為對應，指導提升Jsc、Voc與FF。（參考文獻：Tang et al., Nat Commun 16, 1784 (2025)）

圖2. 飛秒瞬態(tài)吸收研究有機太陽能電池中電荷轉移動力學

2.量子點

載流子生成與損失通道、界面電荷分離效率和能級匹配。例如，利用飛秒泵浦-探測監(jiān)測基態(tài)漂白/光致吸收隨延遲的演化，可區(qū)分激子衰減與電子/空穴跨界面轉移，并在本征 CsPbBr?量子點中判定陷阱少、壽命納秒級；在加入電子受體或空穴受體的體系中，可讀出幾十皮秒級的轉移與納秒級回傳復合，據(jù)此評估電荷分離產率與界面能級匹配。另外，通過通量依賴與全局擬合可識別多激子/Auger貢獻，并把速率常數(shù)與PL 量子效率/器件表現(xiàn)建立對應，從而量化界面工程效果。（參考文獻：Chem et al., Soc. 2015, 137, 40, 12792-12795）

圖3. CsPbBr3能級示意圖（左）；QD-BQ 和 QD-PTZ 復合物的 TA 光譜和動力學（右）

3.催化

在光催化體系中，飛秒瞬態(tài)吸收（TA）用于解析從激發(fā)到納秒尺度的電荷轉移動力學，區(qū)分帶邊與高能（熱載流子）路徑，并以譜指紋（GSB/ESA/CIA）定量得到電子/空穴注入速率 kinj、回傳速率 kback與分離壽命 τsep。這些速率常數(shù)與表觀量子產率/選擇性建立可比對照，可定位限速與損失通道（如同偶復合、陷阱捕獲），進而指導能級匹配、耦合強度/配體工程與光源譜形的優(yōu)化，實現(xiàn)對反應路徑與催化效率的可工程化提升。（參考文獻：Sophie et al, Nat Commun 13, 845 (2022)）

圖4. 在 530 nm 激發(fā)下，給出 TpBpy 與 Re-TpBpy 的 TA 光譜及 SVD 擬合

4.二維層狀材料

瞬態(tài)吸收（TA）為二維層狀材料提供超快動力學的直觀量化：在飛秒—納秒尺度上分辨激子冷卻與解離、層內/層間電荷與能量轉移，并測得壽命、轉移動力學常數(shù)與非輻射復合/陷阱比例；對比不同層數(shù)、堆垛方式與異質結，可評估層間耦合與能級匹配對載流子分離與回傳的影響；結合功率與溫度依賴，還能識別多體效應（如三激子、激子–聲子耦合）與擴散長度變化，從而為厚度工程、界面設計與環(huán)境封裝優(yōu)化提供可執(zhí)行的機理依據(jù)。（參考文獻：QinY et al.,Opt. Lett. 50, 4902-4905 (2025)）

圖5. 400 nm激發(fā)下CuCrP2S6納米片TA光譜

5.生物分子

激發(fā)態(tài)通道、構象響應與微環(huán)境效應。例如，對光合復合體、視紫紅質及卟啉/血紅素等色團，瞬態(tài)吸收通過監(jiān)測基態(tài)漂白（GSB）/受激發(fā)射（SE）/激發(fā)態(tài)吸收（ESA）隨時間的演化，區(qū)分單線態(tài)、三重態(tài)與自由基中間體，定量能量/電子轉移及構象松弛的壽命和速率；另外，可無標記評估光敏劑在細胞與組織中的三重態(tài)形成與活性氧（如¹O?）前體，并表征藥物—蛋白結合/解離與光毒性風險。通過通量依賴與全局擬合、在有氧/脫氧條件下的對比以及譜形與符號判據(jù)，能夠得到三重態(tài)量子產率、自由基產額與轉移效率，從而把分子結構與生物功能建立起時間分辨的因果聯(lián)系。（參考文獻：Botao et al., Nano Today,47: 101681 (2022)）

圖6. 人工光合體系實現(xiàn)二氧化碳固定和高附加值化學品生產的原理圖（左）；低生物毒性的量子點引入到非光合細菌中，構建了一種人工光合作用體系。該體系能夠實現(xiàn)二氧化碳到乙酸的高效轉化，整個過程的光利用率可以達到6%以上。不同體系的瞬態(tài)吸收光譜及其衰減動力學結果（右）

6.化學反應機制

反應中間體識別、通道區(qū)分與速率常數(shù)提取。例如，瞬態(tài)吸收通過監(jiān)測 GSB/ESA/SE 的時譜，直接捕捉飛秒—納秒尺度的自由基、激發(fā)復合體（exciplex）、CT 態(tài)等短壽命中間體，區(qū)分并行/串聯(lián)反應路徑與前向轉移—回傳復合；再借助通量、波長、溶劑與溫度依賴及全局擬合，定量電子/能量/質子耦合轉移（PCET）的速率、分支比與壽命，并由 Arrhenius 或 Eyring 關系估算活化能/焓熵項；同時結合同位素替換與極性/粘度效應，判斷溶劑籠效應、擴散受限與陷阱捕獲的貢獻，從而把光致驅動的微觀過程與宏觀量子產率與選擇性建立起時間分辨的因果聯(lián)系。（參考文獻：Matthew et al., Chemical science, 2022, 13(2): 486-496）

圖7. 0.1 M乙酸緩沖液(pH 4.9)和0.2 M KCl體系中1.1 mM AQS的瞬態(tài)吸收光譜，以偽彩色圖形式展示330 nm光激發(fā)引起的光密度變化(ΔmOD)