近日，理学院物理系超快光子学实验室马国宏教授团队分别与华东师范大学李波教授、中国科学院上海光机所杜鹃教授和上海科技大学郭艳峰、刘伟民教授合作，对二维材料的非平衡态载流子动力学开展系统研究，并取得了系列研究成果，三项成果分别以“Ultrafast Dynamics of Defect-Assisted Auger Process in PdSe₂ Films: Synergistic Interaction between Defect Trapping and Auger Effect”、“Observation of Ultrafast Interfacial Exciton Formation and Relaxation in Graphene/MoS₂ Heterostructure”和“Dynamical Response of Nonlinear Optical Anisotropy in a Tin Sulfide Crystal under Ultrafast Photoexcitation”为题发表于国际知名学术期刊《The Journal of Physical Chemistry Letters》上。上海大学物理系为该系列工作的第一单位，马国宏教授均为论文的第一通讯作者。

近年来，二维材料由于其具有高迁移率、强的光与物质相互作用、出色的非线性光学特性以及带隙可调等优异的光电性质，在新型发光器件、宽带光电探测器、全光调制器、场效应晶体管等器件的应用上展现了巨大的价值。而研究二维材料及其异质结构光激励下的各种非平衡态的超快动力学行为，以及支配这种动力学行为的物理机制，不仅为理解复杂多体相互作用提供了动力学图像，也为调控其光电响应提供了新的手段与途径。由于其特殊的量子限制效应，二维材料的非平衡态驰豫行为与其缺陷态、载流子俄歇效应、异质结间电荷与能量转移以及动态相变等密切相关，探索这些微观机制对光激发下非平衡态动力学过程的影响，是设计与研制基于二维材料的新型光电子器件的前提和基础。基于此，马国宏教授团队利用时间分辨的光谱学手段，取得了系列研究成果：

成果一：利用瞬态变温太赫兹光谱系统研究了不同厚度的二维材料PdSe₂的光激发非平衡态动力学，实验发现该材料的光载流子寿命既不随光功率变化也不随样品温度变化，该工作阐明了光载流子的弛豫过程由缺陷捕获和俄歇效应的协同作用所主导，证明了PdSe₂是一种良好的光电探测器候选材料。该论文被选为当期的内封面文章。物理系硕士研究生李迪为该论文的第一作者，马国宏教授和华东师范大学的李波教授为通讯作者。

成果二：利用时间分辨的太赫兹光谱与瞬态吸收光谱技术探究了石墨烯与二维材料MoS₂构成的异质结的光激发超快层间电荷转移，演示了即使激发光子能量远低于MoS₂带隙，仍能将石墨烯中的部分热电子跨越异质结势垒而转移至MoS₂，在石墨烯层中留下空穴而形成了界面激子，该研究为石墨烯基异质结构界面非平衡载流子的动力学提供了深刻的理解。物理系硕士研究生邹雨晴为该论文的第一作者，马国宏教授、上海光机所的杜鹃教授和上海科技大学刘伟民教授为通讯作者。

成果三：利用瞬态反射式双色泵浦-探测光谱研究了二维层状材料SnS的非线性光学各向异性以及集体的相干激发行为，实验上首次观测到了光激发诱导SnS产生结构相变，即由各向异性的Pnma相向各向同性Cmcm的相转变；而40 GHz的相干声学声子振荡来源于温度梯度诱导的应力波。该工作为SnS光激发动态的光学各向异性的起源提供了实验证据，在偏振敏感的光探测器件上展现了广阔的应用前景。物理系博士研究生孙凯文为该论文的第一作者，马国宏教授为唯一通讯作者。

该系列研究工作得到国家自然科学基金重点项目（61735010），自然基金重大专项培育项目（92150101）和上海市科学技术委员会科技创新行动计划项目（No.21JC1402600）的支持。

论文链接：

成果一：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c00315

成果二：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c01197

成果三：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c02443