摘要
过渡金属氧化物（TMOs）在光电转化领域具有重要的作用。由于载流子对离子型晶格的极化效应，载流子易自陷形成小极化子，显著拉低载流子的迁移率、寿命和化学势等重要参数，从而影响光电转换效率。因此，深入理解此类材料中极化子动力学是促进光电领域发展的关键所在。本文以赤铁矿（α-Fe2O3）作为模型体系，结合多种超快光谱方法协同表征了α-Fe2O3的载流子自陷、复合和分离等动力学过程，清晰地描绘出了其光生载流子完整的生命历程，提出了自陷激子的复合模型。研究内容如下: （1）结合瞬态吸收光谱（TA）和时间分辨太赫兹光谱（TR-THz）提取α-Fe2O3的自由载流子自陷过程，根据单指数函数的拟合结果给出了自陷的时间常数为0.18±0.01ps。通过对比具有不同缺陷态浓度的单晶和多晶样品的自陷和复合动力学，揭示了自由载流子自陷行为的本征属性，明确了自陷态主要为自陷激子，并非带电的小极化子。 （2）根据自陷激子的强局域性质，将α-Fe2O3中的自陷激子视为分散在固体介质中的“类配合物分子”的激发态，该模型可用以描述自陷激子的非辐射复合机制。通过复合动力学的温度依赖实验，揭示了α-Fe2O3中自陷激子在常温下以核隧穿为主导的复合机制。 （3）通过TA和光谱分解方法，明确了电子小极化子的产生来自自陷激子的解离过程。通过Pump-push-probe方法和TA的温度依赖实验，揭示了俄歇辅助的激子解离机制。并通过对比α-Fe2O3单晶和多晶样品的小极化子形成动力学，揭示了缺陷在小极化子形成过程中的促进作用。 （4）通过对比α-Fe2O3/p-NiO异质结和纯α-Fe2O3的TA光谱和动力学特征,证明了异质结电荷分离态的产生，明确了光生载流子全部位于耗尽区内，自由载流子在内建电场的作用下发生与自陷过程竞争的电荷分离过程，同时揭示了该电荷分离是一个无势垒的过程。我们的研究结果明确了异质结对提高电荷分离效率和延长载流子寿命的重要作用。
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